В археологии геофизические исследования — это наземные методы физического зондирования, используемые для археологических изображений или картографирования . Дистанционное зондирование и морские исследования также используются в археологии, но обычно считаются отдельными дисциплинами. Другие термины, такие как «геофизическая разведка» и «археологическая геофизика», обычно являются синонимами.
Геофизические исследования используются для создания карт подземных археологических объектов . Объекты — это непереносимая часть археологических находок , будь то стоячие сооружения или следы человеческой деятельности, оставленные в почве . Геофизические инструменты могут обнаруживать погребенные объекты, когда их физические свойства заметно контрастируют с окружающей средой. В некоторых случаях могут быть обнаружены и отдельные артефакты , особенно металлические. Показания, полученные систематически, становятся набором данных , который можно представить в виде карт изображений. Результаты исследования могут быть использованы для руководства раскопками и для того, чтобы дать археологам представление о структуре нераскопанных частей памятника. В отличие от других археологических методов , геофизические исследования не являются ни инвазивными, ни разрушительными. По этой причине его часто используют там, где целью является сохранение (а не раскопки), а также во избежание нарушения культурно-чувствительных мест , таких как кладбища . [1]
Хотя геофизические исследования использовались в прошлом с периодическим успехом, хорошие результаты весьма вероятны, если они применяются надлежащим образом. Это наиболее полезно, когда оно используется в хорошо интегрированном исследовательском проекте, где интерпретации могут быть проверены и уточнены. Как планирование съемки, так и ее интерпретация требуют знания археологических данных и того, как они выражаются геофизически. Соответствующие инструменты, дизайн съемки и обработка данных необходимы для успеха и должны быть адаптированы к уникальным геологическим и археологическим данным каждого объекта. [ нужна ссылка ] В полевых условиях контроль качества данных и пространственной точности имеют решающее значение.
Геофизические методы, используемые в археологии, во многом адаптированы из методов, используемых в разведке полезных ископаемых, инженерном деле и геологии . Однако археологическое картирование представляет собой уникальные проблемы, которые стимулировали отдельную разработку методов и оборудования. В целом геологические приложения направлены на обнаружение относительно крупных структур, часто на максимально возможной глубине. Напротив, большинство археологических памятников расположены относительно близко к поверхности, часто на глубине верхнего метра земли. Приборы часто настраиваются так, чтобы ограничить глубину реагирования для лучшего разрешения приповерхностных явлений, которые могут представлять интерес. Другая задача состоит в том, чтобы обнаружить тонкие и часто очень мелкие детали, которые могут быть столь же эфемерными, как органические пятна от гнилых деревянных столбов, и отличить их от камней, корней и другого естественного «беспорядка». Для этого требуется не только чувствительность, но и высокая плотность точек данных, обычно не менее одного, а иногда и десятков показаний на квадратный метр.
Чаще всего в археологии применяются магнитометры , измерители электрического сопротивления , георадарные (георадарные) и электромагнитные (ЭМ) кондуктометры . Эти методы позволяют выявить многие типы археологических объектов, позволяют проводить исследования очень больших площадей с высокой плотностью выборки и работать в широком диапазоне условий. Хотя обычные металлодетекторы являются геофизическими датчиками, они не способны генерировать изображения с высоким разрешением. Другие существующие и новые технологии также находят применение в археологии.
Измерители электрического сопротивления можно рассматривать как аналогичные омметры, используемые для проверки электрических цепей. В большинстве систем металлические зонды вставляются в землю для измерения местного электрического сопротивления. Используются различные конфигурации датчиков, большинство из которых имеют четыре датчика, часто установленные на жесткой раме. Также разработаны системы с емкостной связью, не требующие прямого физического контакта с почвой. Археологические объекты можно нанести на карту, если их удельное сопротивление выше или ниже, чем у окружающей среды. Каменный фундамент может препятствовать потоку электричества, а органические отложения внутри мусора могут проводить электричество легче, чем окружающие почвы. Хотя методы сопротивления обычно используются в археологии для картирования плана, они также имеют ограниченную способность различать глубину и создавать вертикальные профили (см. Томография электросопротивления ).
Электромагнитные (ЭМ) приборы для измерения проводимости имеют отклик, сравнимый с откликом измерителей сопротивления (проводимость обратна сопротивлению). Подземные археологические объекты обнаруживаются путем создания под землей магнитного поля путем подачи электрического тока известной частоты и величины через передающую катушку. Токи создают вторичный ток в подземных проводниках, который улавливается приемной катушкой. Изменения подземной проводимости могут указывать на погребенные объекты. [2] [3] Хотя ЭМ-измерители проводимости, как правило, менее чувствительны к тем же явлениям, чем измерители сопротивления, 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. Еще одним преимуществом является относительно большая скорость, чем у инструментов сопротивления. В отличие от приборов сопротивления, измерители проводимости сильно реагируют на металл. Это может быть недостатком, если металл не имеет отношения к археологическим данным, но может быть полезным, если металл представляет археологический интерес. Некоторые приборы ЭМ-проводимости также способны измерять магнитную восприимчивость — свойство, которое становится все более важным в археологических исследованиях.
Магнитометры , используемые в геофизических исследованиях, могут использовать один датчик для измерения общей напряженности магнитного поля или могут использовать два (иногда больше) пространственно разделенных датчика для измерения градиента магнитного поля (разницы между датчиками). В большинстве археологических приложений последняя конфигурация ( градиометр ) предпочтительна, поскольку она обеспечивает лучшее разрешение небольших приповерхностных явлений. В магнитометрах также могут использоваться различные типы датчиков. Магнитометры протонной прецессии в значительной степени были вытеснены более быстрыми и чувствительными феррозондовыми и цезиевыми приборами.
Каждый вид материала обладает уникальными магнитными свойствами, даже тот, который мы не считаем «магнитным». Различные материалы под землей могут вызывать локальные нарушения магнитного поля Земли, которые можно обнаружить с помощью чувствительных магнитометров. Магнитометры очень сильно реагируют на железо и сталь, кирпич, обожженную почву и многие виды горных пород, и археологические объекты, состоящие из этих материалов, легко обнаруживаются. Там, где эти сильномагнитные материалы не встречаются, часто можно обнаружить очень тонкие аномалии, вызванные нарушенными почвами или разложившимися органическими материалами. Главное ограничение магнитометрической съемки состоит в том, что тонкие детали, представляющие интерес, могут быть скрыты сильномагнитными геологическими или современными материалами.
Георадар , пожалуй, самый известный из этих методов (хотя он не получил самого широкого применения в археологии). Концепция радара знакома большинству людей. В этом случае сигнал радара – электромагнитный импульс – направляется в землю. Подповерхностные объекты и стратиграфия (расслоение) вызывают отражения, которые улавливаются приемником. Время прохождения отраженного сигнала указывает глубину. Данные могут быть отображены в виде профилей или карт плана, изолирующих определенные глубины.
Георадар может стать мощным инструментом при благоприятных условиях (идеально подходят однородные песчаные почвы). Он уникален как своей способностью обнаруживать некоторые пространственно малые объекты на относительно больших глубинах, так и способностью различать глубину источников аномалий. Основным недостатком георадара является то, что его возможности сильно ограничены далеко не идеальными условиями. Высокая электропроводность мелкозернистых отложений (глины и ила) приводит к кондуктивным потерям мощности сигнала; каменистые или неоднородные отложения рассеивают георадарный сигнал.
Металлоискатели используют электромагнитную индукцию для обнаружения металла. Хотя другие типы приборов (особенно магнитометры и измерители электромагнитной проводимости) обладают некоторой чувствительностью к металлу, специализированные металлодетекторы гораздо более эффективны. Металлоискатели выпускаются в различных конфигурациях, различающихся по сложности и чувствительности. Большинство из них обладают некоторой способностью различать различные типы металлических целей.
Обычные ручные металлодетекторы широко используются археологами. Большинство этих инструментов не создают набор зарегистрированных данных и, следовательно, не могут использоваться для непосредственного создания карт, но при систематическом использовании они могут быть полезным инструментом в археологических исследованиях. Иногда к таким детекторам подключаются внешние регистраторы данных, которые собирают информацию об обнаруженных материалах и соответствующих координатах GPS для дальнейшей обработки. Неправильное использование этих инструментов на археологических раскопках охотниками за сокровищами и коллекционерами артефактов стало серьезной проблемой в археологической сохранности [4] [5], однако в этой области появляются совместные усилия опытных операторов-любителей и академических групп. [6]
Хотя они не так широко используются в археологии, существуют сложные металлодетекторы, обладающие гораздо большей чувствительностью, чем ручные модели. Эти инструменты способны регистрировать данные и выполнять сложную систему распознавания целей. Их можно устанавливать на колесные тележки для сбора данных обследования.
Лидар ( LIght raDAR ) — это оптическая технология дистанционного зондирования, которая позволяет измерять расстояние до цели путем освещения цели светом , часто с использованием импульсов 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 местности. Лидар также может предоставить археологам возможность создавать цифровые модели рельефа (DEM) высокого разрешения археологических памятников, которые могут выявить микротопографию, которая в противном случае скрыта растительностью. Продукты, полученные с помощью лидара, можно легко интегрировать в географическую информационную систему (ГИС) для анализа и интерпретации.
Сбор данных в целом аналогичен независимо от конкретного сенсорного инструмента. Обследование обычно включает в себя хождение с прибором по близко расположенным параллельным траверсам и снятие показаний через регулярные промежутки времени. В большинстве случаев обследуемая территория разбивается на ряд квадратных или прямоугольных «сеток» съемки (терминология может варьироваться). Поскольку углы сетки являются известными контрольными точками, оператор прибора использует ленты или маркированные веревки в качестве ориентира при сборе данных. Таким образом, ошибка позиционирования может быть сведена к пределах нескольких сантиметров для картографирования с высоким разрешением. Были разработаны исследовательские системы с интегрированными системами глобального позиционирования (GPS), но в полевых условиях доступные в настоящее время системы не обладают достаточной точностью для археологического картирования с высоким разрешением. Геофизические инструменты (особенно металлодетекторы) 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 объектов (на основе размера, силы, ориентации или других критериев) или для подавления затемнения современных или природных явлений. Обратное моделирование археологических особенностей на основе данных наблюдений становится все более важным. Обработанные данные обычно отображаются в виде изображений, контурных карт или ложного рельефа. Когда геофизические данные отображаются графически, интерпретатор может более интуитивно распознавать культурные и природные закономерности и визуализировать физические явления, вызывающие обнаруженные аномалии.
Использование геофизических исследований широко распространено в европейской археологии, особенно в Великобритании, где они были впервые применены в 1940-х и 1950-х годах. Его все чаще применяют в других частях мира, и его успех растет по мере того, как методы адаптируются к уникальным региональным условиям.
В ранних исследованиях измерения записывались индивидуально и наносились вручную. Хотя иногда получались полезные результаты, практическое применение было ограничено огромным количеством требуемого труда. Обработка данных была минимальной, а плотность выборки обязательно была низкой.
Хотя чувствительность датчиков улучшилась и были разработаны новые методы, наиболее важными разработками стали автоматическая регистрация данных и компьютеры для обработки больших объемов данных. Постоянное совершенствование производительности и автоматизации геодезического оборудования позволило быстро обследовать большие территории. Быстрый сбор данных также позволил достичь высокой плотности выборки, необходимой для разрешения мелких или едва заметных особенностей. Достижения в области программного обеспечения для обработки и построения изображений позволили обнаруживать, отображать и интерпретировать тонкие археологические закономерности в геофизических данных.
Общий обзор геофизических методов в археологии можно найти в следующих работах: