Способ получения карты мощности антропогенных карбонатных отложений археологического памятника типа "раковинная куча"

Изобретение относится к геофизике и археологии и может быть использовано для выявления внутренней структуры археологических объектов, представляющих собой слои ограниченного простирания и мощности, сложенные раковинами моллюсков. Для выделения границ слоя раковин в культурных отложениях на площади исследований разбивается сеть измерений, выполняются георадиолокационные измерения по профилям. Составляют электрофизическую модель геологической среды археологического памятника на основе сопоставления результатов измерений по отдельному профилю с известным для территории исследований геологическим разрезом. Определяют координаты электрофизических границ объекта поиска на георадарограммах на основе электрофизической модели. Выполняют последовательное построение карт нижней и верхней границ объекта поиска и разностной карты глубин залегания нижней и верхней границ объекта. Полученная таким образом карта мощности антропогенного слоя раковин используется для количественных расчетов параметров слоя и для реконструкции внутренней структуры древнего поселения собирателей раковин, необходимых для решения археологических задач. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения точности локализации и ранжирования выделенных структур с определением трехмерных координат границ объекта исследования, количественной оценки площадного распределения антропогенных карбонатных отложений с определением общего и дифференцированного (на локальных участках) объемов раковинного слоя. 4 ил.

 

Изобретение относится к геофизике и археологии и может быть использовано для исторических, палеогеографических и палеоклиматических реконструкций.

Раковинная куча - один из типов археологических памятников, широко распространенных на морском побережье по всему миру и представляющих собой культуросодержащие отложения, состоящие из раковин моллюсков, костей животных и рыб, человеческих костных останков и утвари древнего человека. Структура таких отложений является ценным источником информации, позволяющим на этой основе проводить историческую реконструкцию прошлого - основную задачу археологических исследований.

Изучение самой верхней части геологической среды, вмещающей антропогенные слои неразрушающими методами исследований, с детальностью необходимой для выполнения работ, направленных на оконтуривание границ археологических объектов, представляет собой сложную задачу. Для решения подобных задач при изучении древних поселений собирателей раковин наиболее информативны исследования, направленные на выделение особенностей внутренней структуры раковинного слоя, позволяющие количественно оценить пространственное распределение антропогенных карбонатных включений (границ слоя) в современных геологических отложениях. Исследования такого рода дают возможность восстановить целостную картину структуры поселения, необходимую для понимания характерных черт социальной топографии. Однако применение для определения пространственной структуры объекта такого классического метода археологических исследований, как раскопки, потребует огромных трудозатрат и финансового обеспечения, а кроме того, приведет к полному уничтожению объекта исследования (Журбин И.В. Геофизика в археологии: методы, технологии и результаты применения. - Ижевск: Удмуртский институт истории, языка и литературы УрО РАН, 2004. С. 6).

Известен способ выделения, оконтуривания границ и оценки мощности археологических объектов (памятников) - раковинных куч с использованием бурения или шурфования (Энциклопедия Кругосвет. Археология. Археологическая разведка// http://www.krugosvet.ru/enc/istoriya/ARHEOLOGIYA.html?page=0,3). Для его реализации на обследуемом участке по нерегулярной сети с использованием ручного бура в виде трубки с суженным и заостренным рабочим концом, которую вбивают или ввинчивают в землю, извлекают керн. Диаметр керна невелик, как правило, 2,5-7,5 см, и потому в нем может почти или совсем не содержаться опознаваемых артефактов, даже если бурение осуществлено в центральной части археологического памятника. Для точного определения границ памятника по наличию в грунте археологических остатков и выявления мощности антропогенных карбонатных отложений закладывают разведочные шурфы размерами 1×1 м и более и глубиной, соответствующей мощности культурного слоя. Местоположение точек бурения и шурфования выносится на карту. Оконтуривание границ антропогенного слоя раковин и оценка его мощности выполняются с большими допущениями вследствие разреженности сети наблюдений. Недостатками способа являются также значительные трудозатраты, частичное уничтожение археологического памятника и невозможность выделения внутренней структуры объекта исследования.

Оптимальный компромисс между изучением археологических памятников и сохранением их для последующих поколений исследователей достигается за счет использования неразрушающих методов изучения всей территории памятника с выполнением исследований раскопками только на небольшой его части с учетом особенностей конкретного памятника (Журбин И.В. Геофизика в археологии: методы, технологии и результаты применения. - Ижевск: Удмуртский институт истории, языка и литературы УрО РАН, 2004. - С. 22-31).

Для получения данных о пространственных характеристиках археологических объектов типа «раковинная куча» может применяться совместное использование нескольких неразрушающих методов (Thompson V.D., Reynolds М.D., Haley В., Jefferies R., Johnson J.K., Humphries L. The Sapelo Shell Ring complex: Shallow geophysics on a Georgia sea island // Southeastern Archaeology, 2004, Vol. 23, No. 2, P. 192-201). В известном способе учитываются несколько параметров исследуемой геологической среды. Для выделения археологического объекта используются карта рельефа, карта изоом подпочвенного грунта, трехмерная визуализация результатов георадиолокации, которые получают по результатам измерений, выполненных по регулярной сети. Однако в данном способе соответствие видимых на георадарограмме отражающих границ границам объекта в геологической среде носит вероятностный характер, поэтому истолкование результатов георадиолокации выполняется на вероятностном уровне. Кроме этого, реализация способа связана со значительными трудозатратами, невозможностью выделения внутренней структуры объекта, существенным удорожанием исследований, не оправданным получаемым результатом.

Наиболее близким к заявляемому является способ выделения и оконтуривания границ антропогенных карбонатных отложений с применением электрометрии в модификации электропрофилирования методом срединного градиента (Lowe K.М. Review of geophysical applications in Australian archaeology// Australian archaeology. 2012. № 74, p. 71-84). Способ осуществляется следующим образом. На участке исследований разбивают сеть наблюдений, прокладывая линии профилей измерений. Вдоль заданных профилей при постоянном токе измеряется разность потенциалов (ΔU) между приемными электродами с помощью установок постоянного размера (1-2 м). Измерения выполняются дискретно: электроды перемещаются вдоль профиля по пикетам измерений, расположенным на расстоянии 1-2 м, вручную оператором. По полученным в процессе измерений данным для каждого пикета наблюдений рассчитывается значение кажущегося сопротивления (ρ_к). Выполняется построение карты изоом (изолиний равных значений ρ_к). Для интерпретации результатов исследования используют справочные значения кажущегося сопротивления (ρк) для осадочных пород (Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (петрофизика). Справочник геофизика. М: Недра. 1984 г., С. 163-170). Раковинные кучи, сложенные, в основном, карбонатным веществом, обладают повышенным удельным электрическим сопротивлением и выделяются аномалиями повышенного кажущегося сопротивления (ρ_к) на фоне вмещающих пород верхней части разреза - глин, суглинков, супесей, в меньшей степени песков. Границы объекта проводятся на карте по изоомам, характеризующимся справочными значениями кажущегося сопротивления (ρ_к). Способ позволяет выделить границы слоя раковин по простиранию на площади.

Однако чрезмерно большое осреднение геоэлектрического разреза по вертикали позволяет выполнить только осредненную оценку площади раковинного слоя, не позволяет вычислить мощность слоя раковин, а значит выделить особенности внутренней структуры раковинного слоя, что необходимо для последующего анализа древних поселений собирателей раковин. Способ требует значительных временных и существенных трудозатрат при выполнении натурных измерений.

Задача изобретения - получение карты мощности антропогенных карбонатных отложений археологического памятника типа «раковинная куча» с необходимой для реконструкции внутренней структуры древнего поселения степенью детальности.

Технический результат - повышение точности локализации и ранжирования выделенных структур с определением трехмерных координат границ объекта исследования, количественная оценка площадного распределения антропогенных карбонатных отложений с определением общего и дифференцированного (на локальных участках) объемов раковинного слоя.

Поставленная задача решается способом получения карты мощности антропогенных карбонатных отложений археологического памятника типа «раковинная куча», включающим построение сети наблюдений, выполнение георадиолокационных измерений по профилям разбитой сети с получением георадарограмм, выбор на исследуемой площади опорного геологического разреза, включающего антропогенный слой раковин, и определение его структуры, составление электрофизической модели геологической среды исследуемой территории на основе сопоставления опорного геологического разреза и отражающих границ раздела сред, характеризующихся условными соотношениями диэлектрической проницаемости (ε), на георадарограмме, полученной вблизи опорного геологического разреза, затем на основе созданной электрофизической модели на георадарограммах площади исследований выделяют границы антропогенного слоя раковин, с использованием геометрических параметров сети наблюдений определяют трехмерные координаты границ выделенного слоя, осуществляют построение в изолиниях карт рельефа нижней и верхней поверхностей слоя раковин, вычисляют мощность антропогенного слоя раковин путем вычитания глубин залегания верхней и нижней границ антропогенного слоя раковин в координатах площади исследований и составляют карту мощности антропогенного слоя раковин исследуемой площади.

Способ осуществляют следующим образом.

На участке исследований осуществляют построение сети наблюдений на площади, по которой выполняют георадиолокационные измерения, основанные на излучении и приеме электромагнитных волн, отраженных от границ раздела слоев среды, имеющих различную диэлектрическую проницаемость (ε), по профилям разбитой сети с получением георадарограмм. Выбирают опорный геологический разрез, включающий антропогенный слой раковин, и определяют его структуру. Путем сопоставления структуры опорного геологического разреза и отражающих границ раздела сред, характеризующихся условными соотношениями диэлектрической проницаемости, на опорной георадарограмме, полученной вблизи опорного геологического разреза, составляют электрофизическую модель геологической среды и выделяют характерные границы антропогенного раковинного слоя. Затем, используя созданную электрофизическую модель, содержащую границы раздела слоев, характеризующихся условными соотношениями диэлектрической проницаемости, на георадарограммах участка выделяют границы антропогенного слоя раковин. Используя геометрические параметры сети наблюдений, определяют трехмерные координаты границ слоя раковин и выполняют построение в изолиниях карт рельефа нижней и верхней поверхностей слоя раковин с помощью программного обеспечения, предназначенного для визуализации и обработки картографических данных. В координатах площади исследований вычисляют мощность антропогенного слоя раковин путем вычитания глубин залегания верхней и нижней границ антропогенного слоя раковин и составляют карту мощности антропогенного слоя раковин, которая является основой для последующих количественных оценок.

Использование заявляемого способа получения карты мощности антропогенного слоя раковин археологического памятника типа «раковинная куча», основанного на получении и использовании электрофизической модели геологической среды, содержащей границы раздела слоев, характеризующихся контрастными условными соотношениями диэлектрической проницаемости для последующего выделения границы раздела стратиграфических слоев грунта на георадарограммах, позволяет решить поставленную задачу с достижением заявленного технического результата - повысить точность локализации и ранжирования выделенных структур с определением трехмерных координат границ объекта исследования, количественно оценить площадное распределение антропогенных карбонатных отложений с определением общего и дифференцированного (на локальных участках) объемов раковинного слоя. Кроме этого, заявляемый способ позволяет сохранить целостность культурного слоя археологического памятника, существенно сократить трудовые и временные затраты при выполнении натурных измерений.

Авторам и заявителю не удалось обнаружить в известных источниках информации предлагаемый подход к решению поставленной задачи с достижением поставленного технического результата.

Способ был апробирован при исследовании антропогенных карбонатных отложений на территории археологических памятников Реал-Альто (п-ов Сайта Елена, Эквадор, восточное побережье Тихого океана) и Боярин-6 (побережье о. Русский, залив Петра Великого, Японское море, западное побережье Тихого океана).

Этапы способа иллюстрируются следующими графическими материалами.

Фиг. 1 - двумерная горизонтально-слоистая электрофизическая модель верхней части геологического разреза археологического памятника Реал-Альто, состоящая из конечного числа слоев, где 1-4 - слои, а 5-7 - электрофизические границы.

Фиг. 2 - опорная георадарограмма, на которой черным пунктиром выделены верхняя (6) и нижняя (7) границы слоя (3) раковин.

Фиг. 3 - карта-схема мощности антропогенных карбонатных отложений (М 1:100), на территории археологического памятника Реал-Альто. Фигурой черного цвета в правой верхней части карты-схемы показано расположение в плане археологического раскопа.

Фиг. 4 - карта-схема мощности антропогенных карбонатных отложений (М 1:100) на территории археологического памятника Боярин-6.

Археологический памятник Реал-Альто, в основании культурного слоя которого выделены антропогенные карбонатные отложения - «раковинная куча», расположен на возвышенности округлой формы с плоской вершиной, представляющей собой край правобережной высокой речной террасы. На прямоугольном участке размерами 40×90 м в северо-восточной части археологического памятника Реал-Альто была построена сеть наблюдений и выполнены георадиолокационные измерения по субширотным профилям длиной 40 м, получены георадарограммы. Расстояние между профилями 1 м. Использован георадар ОКО-2 и антенный блок АБ-400М (НПЦ «ГЕОТЕХ», Россия).

В качестве эталонного геологического разреза был выбран вскрытый ранее в процессе исследований геологический разрез, характеризующийся следующей горизонтально-слоистой структурой: в основании залегают прибрежно-морские отложения; верхняя часть геологического разреза, содержащая антропогенные включения (культурный слой) - аллювиальные отложения голоцена, представленные слоем супеси с разнозернистым песком. Поверхностные отложения мощностью 15-25 см представляют собой очень плотную минерализованную недоразвитую почву.

В стратиграфической колонке разреза мощностью около 1 м были выделены культуросодержащие слои. Верхний, до глубины 80 см, представлен смешанным археологическим контекстом, а нижний слой, расположенный на глубине 80-90 см, содержит от 15 до 80% раковин Anadara similis (мощность слоя 15-20 см) и артефакты.

Слой раковин залегает на очень плотном сцементированном материковом слое минерализованной супеси (скорее всего, погребенная почва), содержащей разнозернистый песок мощностью более 30 см. Отложения обогащены солями, сорбированными почвой вследствие скудных сезонных атмосферных осадков и интенсивного испарения в условиях высокой температуры.

Геологический разрез рассматривается как горизонтально-слоистая среда, неоднородности которой соответствуют положению в разрезе границам раздела стратиграфических слоев грунта.

Для составления электрофизической (петрофизической) модели геологической среды было выполнено сопоставление структуры эталонного геологического разреза, расположенного на территории съемки, с полученной в результате измерений вблизи геологического разреза георадарограммой. Для этого на георадарограмме были выделены отражающие границы раздела сред, характеризующиеся контрастными значениями диэлектрической проницаемости (ε), при этом используют условные соотношения диэлектрической проницаемости составных частей геологического разреза.

За базовую основу электрофизической модели грунта была взята сухая супесь с примесью песка различной зернистости, характеризующаяся фоновым значением диэлектрической проницаемости (ε). Уплотнение грунта сопровождается снижением пористости и уменьшением газообразных включений, и, следовательно, увеличением диэлектрической проницаемости. Разрыхленный грунт, в отличие от сцементированного, характеризуется наличием большего количества пустот, заполненных воздухом. При увеличении пористого пространства в объеме грунта диэлектрическая проницаемость уменьшается. Дополнительным фактором увеличения объема пор являются насыщенность отложений створками раковин.

Таким образом, на георадарограммах в геологическом разрезе археологического памятника Реал-Альто выделены следующие типы отражающих границ:

- рыхлый - плотный грунт;

- плотный грунт - грунт, насыщенный обломками раковин (раковинами);

- рыхлый грунт - рыхлый грунт, насыщенный обломками раковин.

Двумерная горизонтально-слоистая электрофизическая модель верхней части геологического разреза археологического памятника Реал-Альто, состоящая из конечного числа слоев, показана на Фиг. 1, где

1 - сцементированный уплотненный мелкозернистый пылеватый песок, с включением зерен крупного песка и обломков керамики (недоразвитая почва), мощностью до 25 см (мертвая зона георадара) (ε₁);

2 - супесь с примесью аллювиального песка средних и мелких фракций, с включениями обломков керамики (ε);

3 - супесь серовато-бурого цвета, с включением зерен крупного песка и до 3% мелкого плохо окатанного гравия, отдельной хорошо окатанной гальки до 3 см в диаметре, содержащая скопления раковин моллюсков от 15 до 80% в объеме грунта (ε₂);

4 - сцементированная плотная супесь, с включением зерен крупного песка до 2% (ε₃);

5 - граница: плотный грунт с включениями с включением зерен крупного песка и обломков керамики (ε₁) / рыхлый грунт с включениями обломков керамики (ε), ε₁>ε;

6 - граница: рыхлый грунт с включениями обломков керамики (ε)/рыхлый грунт, содержащий скопления раковин от 15 до 80% в объеме (ε₂), ε>ε₂;

7 - граница: рыхлый грунт, содержащий скопления раковин от 15 до 80% в объеме (ε₂)/сцементированная плотная супесь (ε₃), ε₂<ε₃.

На георадарограммах исследуемой площади (Фиг. 2) выделены координаты границ 6 и 7 слоя раковин 3. Выполнено построение карт рельефа нижней и верхней поверхностей слоя раковин. Затем путем вычитания глубин залегания верхней и нижней границ антропогенного слоя раковин вычислена мощность антропогенного слоя раковин и по результатам вычислений составлена карта мощности антропогенного слоя раковин (Фиг. 3).

Выделенные таким образом карбонатные антропогенные отложения представляют собой горизонтальный пласт неоднородной мощности (Фиг. 3). Пласт ориентирован диагонально с юю-в на сс-з. Локальные неоднородности повышенной мощности (15-55 см) характеризуются округлой формой и расположены в основном на периферии пласта. Размеры локальных объектов в центре участка невелики от 2×3 до 5×4 м. Большинство образует группы подковообразной формы. В северной части и на юге локальные объекты повышенной мощности характеризуются изометричной формой, их площадь в два - три раза больше. Скорее всего, такие неоднородности представляют собой группы из 2-3 локальных объектов повышенной мощности, состоящих из створок раковин. Сделан вывод о том, что структура раковинной кучи (Реал-Альто) представляет собой равномерно распределенные по площади участки пониженной мощности слоя раковин округлой или овальной формы (вероятные места расположения жилищ собирателей раковин), обрамленные локальными участками раковинного слоя повышенной мощности округлой формы, сгруппированными подковообразно и являющимися местами локализации «кухонного мусора» - створок раковин моллюсков.

Вычисленный объем раковин на локальном участке повышенной мощности составляет 0.5-2 м³. Общий объем раковин в этом слое составляет около 360 м³. Результаты вычислений объема раковинного слоя могут быть использованы в комплексе с результатами исследований раскопками для количественных оценок демографических особенностей поселения исследованной культуры.

Использование предлагаемого способа позволило получить карту мощности антропогенной раковинной кучи на восточном побережье Тихого океана, что в дальнейшем дало возможность выполнить объемную реконструкцию планиграфии памятника (возраст 6-5.5 тыс. л.) и вычислить объем антропогенных карбонатных отложений.

Таким же способом составлена карта мощности локального участка раковинной кучи археологического памятника Боярин-6 на западном побережье Тихого океана (Фиг. 4), на основе которой выявлена внутренняя структура антропогенного слоя раковин возраста 6.3-5.7 тыс.л., отражающая организационно-структурные особенности внутренней части поселения, существовавшего 6.3-5.7 тыс. л. н.

Способ получения карты мощности антропогенных карбонатных отложений археологического памятника типа «раковинная куча», включающий построение сети наблюдений, выполнение георадиолокационных измерений по профилям разбитой сети с получением георадарограмм, выбор на исследуемой площади опорного геологического разреза, включающего антропогенный слой раковин, и определение его структуры, составление электрофизической модели геологической среды исследуемой территории на основе сопоставления опорного геологического разреза и отражающих границ раздела сред, характеризующихся условными соотношениями диэлектрической проницаемости (ε), на георадарограмме, полученной вблизи опорного геологического разреза, затем на основе созданной электрофизической модели на георадарограммах выделяют границы антропогенного слоя раковин, с использованием геометрических параметров сети наблюдений определяют трехмерные координаты границ выделенного слоя, осуществляют построение в изолиниях карт рельефа нижней и верхней поверхностей слоя раковин, вычисляют мощность антропогенного слоя раковин путем вычитания глубин залегания верхней и нижней границ антропогенного слоя раковин в координатах площади исследований и составляют карту мощности антропогенного слоя раковин исследуемой площади.