В археологии геофизическая съемка — это наземные физические методы зондирования, используемые для археологической визуализации или картирования. Дистанционное зондирование и морские съемки также используются в археологии, но обычно считаются отдельными дисциплинами. Другие термины, такие как «геофизическая разведка» и «археологическая геофизика», как правило, являются синонимами.
Геофизическая съемка используется для создания карт подземных археологических объектов . Объекты являются непереносимой частью археологических записей , будь то стоящие сооружения или следы человеческой деятельности, оставленные в почве . Геофизические приборы могут обнаруживать захороненные объекты, когда их физические свойства заметно контрастируют с их окружением. В некоторых случаях могут быть обнаружены также отдельные артефакты , особенно металлические. Показания, полученные в систематическом порядке, становятся набором данных , которые могут быть отображены в виде карт изображений. Результаты съемки могут использоваться для руководства раскопками и для предоставления археологам понимания структуры не раскопанных частей участка. В отличие от других археологических методов , геофизическая съемка не является ни инвазивной, ни разрушительной. По этой причине она часто используется там, где целью является сохранение (а не раскопки), и чтобы избежать нарушения культурно чувствительных мест, таких как кладбища . [1]
Хотя геофизическая съемка использовалась в прошлом с переменным успехом, хорошие результаты весьма вероятны, если она применяется надлежащим образом. Она наиболее полезна, когда используется в хорошо интегрированном исследовательском проекте, где интерпретации могут быть проверены и уточнены. Как проект съемки, так и интерпретация требуют знания археологических данных и того, как они выражены геофизически. Соответствующие приборы, проект съемки и обработка данных необходимы для успеха и должны быть адаптированы к уникальной геологии и археологическим данным каждого участка. [ необходима цитата ] В полевых условиях контроль качества данных и пространственной точности имеют решающее значение.
Геофизические методы, используемые в археологии, в значительной степени адаптированы из методов, используемых в разведке полезных ископаемых, инженерии и геологии . Однако археологическое картирование представляет собой уникальные проблемы, которые стимулировали отдельную разработку методов и оборудования. В целом, геологические приложения связаны с обнаружением относительно больших структур, часто как можно глубже. Напротив, большинство археологических памятников находятся относительно близко к поверхности, часто в пределах верхнего метра земли. Приборы часто настроены на ограничение глубины отклика, чтобы лучше разрешать приповерхностные явления, которые, вероятно, будут представлять интерес. Другая проблема заключается в обнаружении тонких и часто очень маленьких особенностей, которые могут быть такими же эфемерными, как органические пятна от сгнивших деревянных столбов, и их различении от камней, корней и другого естественного «мусора». Для достижения этого требуется не только чувствительность, но и высокая плотность точек данных, обычно не менее одного, а иногда и десятков показаний на квадратный метр.
Наиболее часто в археологии применяются магнитометры , измерители электрического сопротивления , георадар (GPR) и измерители электромагнитной проводимости (EM) . Эти методы позволяют определять многие типы археологических объектов, способны проводить высокоплотные исследования очень больших площадей и работать в широком диапазоне условий. Хотя обычные металлоискатели являются геофизическими датчиками, они не способны генерировать изображения с высоким разрешением. Другие устоявшиеся и новые технологии также находят применение в археологических приложениях.
Измерители электрического сопротивления можно рассматривать как аналогичные омметрам, используемым для проверки электрических цепей. В большинстве систем металлические зонды вставляются в землю для получения показаний локального электрического сопротивления. Используются различные конфигурации зондов, большинство из которых имеют четыре зонда, часто закрепленных на жесткой раме. Также были разработаны емкостно-связанные системы, не требующие прямого физического контакта с почвой. Археологические объекты могут быть нанесены на карту, когда они имеют более высокое или более низкое удельное сопротивление, чем их окружение. Каменный фундамент может препятствовать потоку электричества, в то время как органические отложения в куче могут проводить электричество легче, чем окружающие почвы. Хотя обычно они используются в археологии для картирования в плане, методы сопротивления также имеют ограниченную способность различать глубину и создавать вертикальные профили (см. Электротомография сопротивления ).
Электромагнитные (ЭМ) приборы для измерения проводимости имеют отклик, сопоставимый с откликом измерителей сопротивления (проводимость является обратной величиной сопротивления). Подземные археологические объекты обнаруживаются путем создания магнитного поля под землей путем подачи электрического тока с известной частотой и величиной через передающую катушку. Токи вызывают вторичный ток в подземных проводниках, который улавливается приемной катушкой. Изменения подземной проводимости могут указывать на зарытые объекты. [2] [3] Хотя приборы для измерения ЭМ проводимости, как правило, менее чувствительны, чем измерители сопротивления, к тем же явлениям, они обладают рядом уникальных свойств. Одним из преимуществ является то, что они не требуют прямого контакта с землей и могут использоваться в условиях, неблагоприятных для измерителей сопротивления. Другим преимуществом является относительно большая скорость, чем приборы для измерения сопротивления. В отличие от приборов для измерения сопротивления, измерители проводимости сильно реагируют на металл. Это может быть недостатком, когда металл является посторонним для археологических записей, но может быть полезным, когда металл представляет археологический интерес. Некоторые приборы для измерения ЭМ проводимости также способны измерять магнитную восприимчивость , свойство, которое становится все более важным в археологических исследованиях.
Магнитометры, используемые в геофизической разведке, могут использовать один датчик для измерения общей напряженности магнитного поля или два (иногда больше) пространственно разделенных датчика для измерения градиента магнитного поля (разницы между датчиками). В большинстве археологических приложений предпочтительнее последняя конфигурация ( градиометр ), поскольку она обеспечивает лучшее разрешение небольших, приповерхностных явлений. Магнитометры также могут использовать различные типы датчиков. Протонные прецессионные магнитометры в значительной степени были вытеснены более быстрыми и чувствительными феррозондовыми и цезиевыми приборами.
Каждый вид материала обладает уникальными магнитными свойствами, даже те, которые мы не считаем «магнитными». Различные материалы под землей могут вызывать локальные возмущения в магнитном поле Земли, которые можно обнаружить с помощью чувствительных магнитометров. Магнитометры очень сильно реагируют на железо и сталь, кирпич, обожженную почву и многие типы горных пород, и археологические объекты, состоящие из этих материалов, очень легко обнаружить. Там, где эти сильномагнитные материалы не встречаются, часто можно обнаружить очень тонкие аномалии, вызванные нарушенными почвами или разложившимися органическими материалами. Главным ограничением магнитометрической съемки является то, что тонкие интересующие объекты могут быть скрыты сильномагнитными геологическими или современными материалами.
Георадар (GPR) — пожалуй, самый известный из этих методов (хотя он не так широко применяется в археологии). Концепция радара знакома большинству людей. В этом случае сигнал радара — электромагнитный импульс — направляется в землю. Подповерхностные объекты и стратиграфия (слоистость) будут вызывать отражения, которые улавливаются приемником. Время прохождения отраженного сигнала указывает на глубину. Данные могут быть нанесены на график в виде профилей или в виде карт в плане, изолирующих определенные глубины.
Георадар может быть мощным инструментом в благоприятных условиях (однородные песчаные почвы являются идеальными). Он уникален как своей способностью обнаруживать некоторые пространственно малые объекты на относительно больших глубинах, так и своей способностью различать глубину источников аномалий. Главным недостатком георадара является то, что он сильно ограничен неидеальными условиями. Высокая электропроводность мелкозернистых осадков (глины и илы) вызывает кондуктивные потери силы сигнала; каменистые или неоднородные осадки рассеивают сигнал георадара.
Металлоискатели используют электромагнитную индукцию для обнаружения металла. Хотя другие типы приборов (в частности, магнитометры и измерители электромагнитной проводимости) имеют некоторую чувствительность к металлу, специализированные металлоискатели гораздо более эффективны. Металлоискатели доступны в различных конфигурациях, различающихся по сложности и чувствительности. Большинство из них обладают некоторой способностью различать различные типы металлических целей.
Обычные ручные металлоискатели широко используются археологами. Большинство этих приборов не создают регистрируемый набор данных и, таким образом, не могут использоваться для непосредственного создания карт, но при систематическом использовании они могут быть полезным инструментом в археологических исследованиях. Иногда к таким детекторам присоединяются внешние регистраторы данных, которые собирают информацию об обнаруженных материалах и соответствующие координаты GPS для дальнейшей обработки. Неправильное использование этих приборов на археологических объектах охотниками за сокровищами и коллекционерами артефактов стало серьезной проблемой в археологической консервации [4] [5], однако в этой области появляются совместные усилия между опытными операторами-любителями и академическими группами. [6]
Хотя они и не так широко используются в археологии, существуют сложные металлодетекторы, обладающие гораздо большей чувствительностью, чем ручные модели. Эти приборы способны регистрировать данные и выполнять сложную дискриминацию целей. Их можно устанавливать на колесные тележки для сбора данных обследования.
Лидар ( LIght raDAR ) — это оптическая технология дистанционного зондирования, которая может измерять расстояние до цели, освещая ее светом , часто используя импульсы лазера . Лидар имеет множество применений в области археологии, включая помощь в планировании полевых кампаний, картографирование объектов под пологом леса [7] и предоставление обзора широких, непрерывных объектов, которые могут быть неразличимы на земле. Лидар также может предоставить археологам возможность создавать цифровые модели рельефа высокого разрешения (ЦМР) археологических памятников, которые могут выявить микрорельеф, который в противном случае скрыт растительностью. Продукты, полученные с помощью лидара, можно легко интегрировать в географическую информационную систему (ГИС) для анализа и интерпретации.
Сбор данных в целом схож, независимо от конкретного измерительного прибора. Обследование обычно включает в себя ходьбу с прибором вдоль близко расположенных параллельных траверсов, снимая показания через равные интервалы. В большинстве случаев обследуемая территория разбивается на ряд квадратных или прямоугольных «сеток» обследования (терминология может различаться). С углами сеток в качестве известных опорных точек оператор прибора использует ленты или маркированные веревки в качестве ориентира при сборе данных. Таким образом, ошибка позиционирования может быть сведена к нескольким сантиметрам для картирования с высоким разрешением. Были разработаны системы обследования с интегрированными глобальными системами позиционирования (GPS), но в полевых условиях имеющиеся в настоящее время системы не обладают достаточной точностью для археологического картирования с высоким разрешением. Геофизические приборы (особенно металлоискатели) также могут использоваться для менее формального «сканирования» интересующих областей.
Обработка данных и визуализация преобразуют необработанные числовые данные в интерпретируемые карты. Обработка данных обычно включает удаление статистических выбросов и шума, а также интерполяцию точек данных. Статистические фильтры могут быть разработаны для улучшения интересующих признаков (на основе размера, прочности, ориентации или других критериев) или подавления затемнения современных или природных явлений. Обратное моделирование археологических признаков из наблюдаемых данных становится все более важным. Обработанные данные обычно представляются в виде изображений, контурных карт или в виде ложного рельефа. Когда геофизические данные представляются графически, интерпретатор может более интуитивно распознавать культурные и природные закономерности и визуализировать физические явления, вызывающие обнаруженные аномалии.
Использование геофизической разведки хорошо зарекомендовало себя в европейской археологии, особенно в Великобритании, где она была впервые применена в 1940-х и 1950-х годах. Она все чаще применяется в других частях мира, и с большим успехом, поскольку методы адаптируются к уникальным региональным условиям.
В ранних исследованиях измерения записывались индивидуально и наносились на график вручную. Хотя иногда и получались полезные результаты, практическое применение ограничивалось огромным объемом требуемой рабочей силы. Обработка данных была минимальной, а плотность выборки была неизбежно низкой.
Хотя чувствительность датчиков улучшилась, и были разработаны новые методы, наиболее важными разработками стали автоматизированная регистрация данных и компьютеры для обработки больших объемов данных. Постоянное улучшение производительности и автоматизации оборудования для обследования позволило быстро проводить обследование больших территорий. Быстрый сбор данных также сделал практичным достижение высокой плотности выборки, необходимой для разрешения небольших или едва заметных особенностей. Достижения в области программного обеспечения для обработки и визуализации позволили обнаруживать, отображать и интерпретировать тонкие археологические закономерности в геофизических данных.
Общий обзор геофизических методов в археологии можно найти в следующих работах: