Геофизические исследования на территории Болгарского историко-архитектурного музея-заповедника в 2014 г

УДК 550.372

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ТЕРРИТОРИИ БОЛГАРСКОГО ИСТОРИКО-АРХИТЕКТУРНОГО МУЗЕЯ-ЗАПОВЕДНИКА В 2014 ГОДУ

© 2015 г. К.И. Бредников, Д.И. Хасанов, Э.В. Утемов, Б.М. Насыртдинов

В статье рассмотрены результаты геофизических исследований, проведенных на территории Болгарского государственного историко-архитектурного музея-заповедника в 2014г. Территория Болгарского историко-архитектурного музея заповедника входит в состав охраняемых объектов «ЮНЕСКО». Комплекс работ включал в себя широкий спектр геофизических исследований: магнитометрия, гравиметрия, электроразведка и георадиолокация. Основной целью исследований было обнаружение и локализация остатков археологических объектов (дома, мавзолеи, горны и т.д.). В ходе проведения работ основным методом являлась магнитометрия. Магниторазведка в практике археологических исследований используется очень широко, в связи с высокой информативностью и производительностью данного метода. Основные поисковые объекты - это кирпичные фундаменты и стены зданий, скопление обожженной керамики, остатки печных сооружений различного назначения и т.д. Для локализации немагнитных объектов применялась георадиолокационая съемка, грави- и электроразведка. В результате проведенных исследований выявлен целый ряд различных по своим свойствам и назначению объектов - горны, фундаменты мавзолеев, остатки бытовых зданий. В процессе проведения геофизических работ были уточнены и оптимизированы методики проведения полевых экспериментов.

Ключевые слова: георадиолокация, гравиразведка, магниторазведка, электроразведка, геофизические аномалии, интерпретация геофизических данных.

Введение

На сегодняшний день археологические исследования сопровождаются, как правило, геофизическими работами. Причина в том, что геофизический метод является одним из ключевых методов неразрушающего контроля, с помощью которого возможно получать информацию о подповерхностном строении с очень высоким разрешением (Гладкий, 1967; Миков, 1975а, б; Автеньев, 1979; Логачев, Захаров, 1979; Инструкция, 1981; Жунг-Хо Ким и др., 2004).

Болгарский государственный исто-рико-архитектурный музей-заповедник является объектом исторического и культурного наследия мирового масштаба и особо ценным объектом культурного наследия Республики Татарстан.

Основной целью геофизических работ на данном этапе были обнаружение и локализация остатков древних строений различного назначения (дома, мавзолеи, горны и т.д.).

Исходя из линейных размеров объектов поиска (от 1 до 10 м и более), работы проводились по серии профи-

лей через 2 м, с расстояниями между точками измерений в 1м.

В 2014 году был выполнен следующий объем работ:

- высокоточная наземная магниторазведка (площадь исследования 245 000 кв. м);

- электроразведка (площадь исследования 2450 кв. м);

- высокоточная гравиразведка (площадь исследования 2040 кв. м);

- георадиолокационная съемка (площадь исследования 8317 кв. м);

В результате исследований обнаружены объекты, которые по ряду признаков можно отнести к погребенным

архитектурным строениям или следам застройки. Часть объектов была вскрыта раскопами.

Геофизические методы 1. Магниторазведка Исследования методами высокоточной магнитометрии выполнены в восточной части городища (Нагата, 1965; Инструкция, 1981; Миков, 1975 а; http:// magnetometer.ur.ru/content/view/12/9/ lang,ru/). Выделены несколько типов аномалий. Наибольший интерес представляют 6 аномалий, характеризующихся малыми размерами и высокими амплитудами магнитного поля - 100— 200 нТл (рис. 1).

Рис. 1. Карта аномалий магнитного поля проведенных работ за 2014 г.

Аномалии такого типа характерны для объектов, подвергнутых влиянию высоких температур (Яновский, 1964; Миков, 1975б; Тафеев, 1981).

На рисунке 2 приведены примеры отдельных аномалий.

Квадраты 2631, 2632, 2731, 2732: выделяются две аномалии. Размер аномалии 1 составляет 23 х 20 м, размах амплитуды 150 нТл, располага-

ется в пределах 1340-1360 пикетах и 1587-1609 профилях.

Квадрат 2533: выделяется одна аномалия. Размер аномалии составляет 15 х 15 м, размах амплитуды 100нТл, располагается в пределах 1650-1665 пикетах и 1272-1287 профилях.

Квадрат 2534: выделяется одна аномалия. Размер аномалии составля-

Квадрат 2533 Квадрат 2534

Рис. 2. Наиболее перспективные аномалии по данным магниторазведки.

ет 20 х 18 м и размах амплитуды 89 нТл, располагается в пределах 12751293 пикетах и 1730-1750 профилях.

Квадрат 2835: выделяются две аномалии. Размер аномалии 5 составляет 12 х 19 м, размах амплитуды 77 нТл, располагается в пределах 1415-1434 пикетах и 1752-1764 профилях. Аномалия 6 составляет 18 х 19 м, размах амплитуды 63 нТл, располагается в пределах 1435-1454 пикетах и 17701788 профилях.

2. Электроразведка

В восточной и западной части городища выполнены площадные электроразведочные работы в модификации срединных градиентов (СГ). Работы проводились на двух участках, локализованных по данным визуальных обследований, где предположительно могут находиться фундаменты зданий. В результате интерпретации полученных данных на «полигоне № 1» выявлен достаточно контрастный по отношению к вмещающим поро-

дам (20-60 Ом*м) приповерхностный аномальный объект с признаками архитектурной планировки (осевая линия аномалии имеет прямоугольную форму). Интервал аномальных удельных электрических сопротивлений (60-188 Ом*м) характерен для карбонатных пород или для известковистых строительных материалов (рис. 3).

3. Высокоточная гравиразведка

В восточной и западной части городища выполнена площадная высокоточная гравиметрическая съемка на 2-х участках (рис. 4) (Гладкий, 1967).

На западном участке отмечены отрицательные аномалии, вызванные предположительно присутствием погребенного рыхлого материала с малым значением плотности (Автеньев, 1979; Миков, 1975 а).

На восточном участке выделяется серия положительных малоамплитудных аномалий в юго-западном углу полигона и отрицательная аномалия в северо-центральной части

Рис. 3. Карта аномалий удельного сопротивления по полигону 1.

Рис. 4. Расположение участков гравиметрических работ. Площадь исследования 2040 кв. м.

участка. Вероятнее всего, данные аномалии имеют естественное геологическое происхождение. 4. Георадиолокация Поскольку погребенные останки культурного наследия являются трех-мер- ными объектами, наиболее предпочтительной при археологических

исследова- ниях является плановая съемка (Жунг-Хо Ким и др., 2004; Рекомендации, 2008; Ялунин и др., 2009). Георадиолокация с одним антенным блоком производилась по отдельным перспективным площадкам и участкам, намеченным для проведения раскопок (рис. 5).

Рис. 5. Схема расположения полигонов, исследованных методом георадиолокации в 2014 г.

Для антенн с центральной частотой 250 МГц глубинность исследований неконтрастных границ в суглинистом разрезе составляет порядка 2-3 м. Длина волны в среде составляет первые десятки сантиметров.

Соответственно для обеспечения максимальной разрешенности волновой картины необходимо проводить

георадиолокационную съемку с одно-волновым или полуволновым шагом между профилями в 30-50 см. Такая плотность сети наблюдений несколько увеличивает время работы, однако раз-решенность горизонтальных амплитудных срезов существенно повышается.

Перспективные объекты выделялись на различной глубине по харак-

терным аномалиям волнового поля в зависимости от понижения диэлектрической проницаемости, фазовых изменений и затухания сигнала (рис. 6) (Морозов и др., 2011).

На площадках 2, 3, 4 явных аномалий волнового поля, характерных для подклетов и фундаментов архитектурных объектов, выявить не удалось. На полигоне № 2 в районе объекта № 8 возможно скопление крупных каменных обломков, однако форма объекта читается плохо.

На полигоне № 5 выделяется объект со следующими характерными параметрами:

1) в плане объект имеет прямоугольную форму площадью 99,85 кв. м;

2) по внешней границе длина аномалии 11,51 м, юго-восточной - 9,19 м;

3) вокруг объекта отмечаются множественные аномалии, по форме и размерам схожие с волновыми полями над ямами и захоронениями;

4) ориентировочные поисковые глубины объекта - 0,4-1,1 м;

5) с учетом геометрической формы и размеров аномалии в плане, наличия портала, а также характеристик волнового поля объект, вероятнее всего, является мавзолеем, претерпевшим современные изменения (многочисленные перекопы и рвы).

На участках 9 и 10 характерных аномалий, приуроченных к погребенным объектам архитектуры, выявить не удалось (рис. 7).

р ^ , аномалии неизвестного происхождения ¿^Р вероятные захоронения, ямы

,-' руины мавзолея

Рис. 6. Горизонтальные амплитудные срезы по 2, 3, 4 и 5 участкам

Рис. 7. Горизонтальные амплитудные срезы на глубине 50 см.

На участке № 9 под почвенным слоем прослеживается сплошной плоский объект треугольной формы неизвестного происхождения в интервале глубин 25-50 см. Часть аномалий в рельефе в районе объектов на участках 9 и 10, вероятнее всего, связана с литологическими особенностями, возможным наличием границы пластов суглинков и песчаников.

Простирание «литологической границы» на участке № 10 также вызывает вопросы. Аномалия имеет изгиб под прямым углом, что может свидетельствовать о ее антропогенном характере в районе точки 12. Чтобы с уверенностью утверждать о характере

объекта, необходимы дополнительные исследования и увеличение полигона работ.

На полигонах 1 и 11 отчетливо выделяются две аномалии прямоугольной формы, по характеру схожие с изменениями волнового поля над фундаментами древних строений (рис. 8).

Объект на участке 1 слабо читается в рельефе, имеет северо-западное простирание.

Особенности аномалии волнового поля на полигоне № 1 следующие:

1) в плане осевая линия аномалии имеет прямоугольную форму;

- металлический объект О} - места возможных захоронений I 1 - контур строения

—__- внутренние перегородки, рвы

Рис. 8. Полигоны 11 и 1. Срезы на расчетных глубинах 30-90 см при средних скоростях ЭМВ 0,12-0,17 м/нс.

вероятные ямы. захоронения [^Р вероятные ямы. захоронения, кан ¿^Р вероятный очаг монумент Гц-"" фундамент строения хорошо сохранившийся <0> сетки раскопов

50-ти метровая сегеа

Рис. 9. Горизонтальные амплитудные срезы по полигонам 6 и 12.

2) объект по внешней границе аномалии имеет площадь 254,43 кв. м (17,73 х 13,97 м );

3) в северо-западном углу объекта, с внешней стороны, присутствует локальная сплошная прямоугольная аномалия;

4) ориентировочные поисковые глубины (предположительно фундамента и остатков стен сооружения) -

0.2-1,1 м;

5) на глубине основания фундамента в центральной части сооружения прослеживается три малые аномалии, расположенные на одной линии. Форма, расположение аномалий, а также их диэлектрические характеристики указывают на то, что объекты могут являться захоронениями;

6) недалеко от юго-западной стены на глубине около полуметра отмечается локальная круговая аномалия волнового поля, характерная для металлических объектов.

Аномалия на участке 11 с рельефом не согласуется и расположена несколько глубже, чем объект на участке

1, в интервале от 80 до 110 см (рис. 9). В центральной части объекта на участке 11 прослеживается ряд локальных аномалий.

Особенности для объекта на полигоне № 11:

1) в плане осевая линия объекта имеет квадратную форму и охватывает площадь 159.49 кв. м;

2) по внешней границе длина аномалии достигает 13,04 м;

3) возможно, имеются плохочитае-мые внутренние линейные аномалии;

4) Ориентировочные поисковые глубины - 0,8-1,2 м.

По-видимому, территория вокруг полигонов 1 и 11 нуждается в более детальном изучении, так как, возможно, речь идет о комплексе сооружений, часть из которых не попала в контуры георадиолокационных работ.

На полигоне № 6 обнаруживается лишь небольшой объект в центральной части (в интервале глубин от 0,40,7 м, размерами 2 х 2 м) (рис. 9).

В 2 м от южной стенки раскопа на участке отмечены еще две небольшие аномалии (могут являться геодезическими кольями для разметки), для проверки их природы рекомендуется увеличить площадь раскопа на 2 м в южном направлении или обследовать юго-восточный угол полигона.

В квадрате № 12 отчетливо прослеживаются аномалии волнового поля от фундамента сооружения, вскрытого позднее раскопом (рис. 10).

Особенности сооружения на полигоне № 12 следующие:

1) в плане строение имеет прямоугольную форму площадью 92,11 кв. м;

2) по внешней границе длина северо-западной стены 11,6 м, юго-восточной - 7,93 м;

3) в северной части сооружения прослеживается скопление материала (вероятно, камней);

4) ориентировочные поисковые глубины фундамента - 0,4-0,9 м.

По итогам георадиолокационной съемки из всех исследованных участков 4 определены как перспективные на предмет обнаружения древних строений и элементов архитектуры.

ЛИТЕРАТУРА

1. Автеньев Г. К. Трансформация гравитационных полей при обработке геофизической информации. - Томск: Томский политехнический университет, 1979. - 99 с.

2. Гладкий К.В. Гравиразведка и магниторазведка. - М.: Недра, 1967. - 69 с.

3. Жунг-Хо Ким, Майонг-Жонг Йи, Жеонг-Сул. Эффективное применение 3-D георадиолокационной съемки для исследований древних руин. Геоэлектрическая лаборатория. Корейский Институт геофизики и минеральных ресурсов Даеджеон, Корея. - Пермь: Изд-во «Прин», 2004. - 10 с.

4. Инструкция по магниторазведке. - Л., Недра, 1981. - 263 с.

5. ЛогачевА.А., ЗахаровВ.П. Магниторазведка. - М.: Недра, 1979. - 359 с.

6. Миков Д. С. Интегральные методы интерпретации гравитационных магнитных аномалий. - Томск: Изд-во Томск. гос. ун-та, 1975. - 93 с.

7. Миков Д.С. Методы интерпретации магнитных аномалий. - Томск: Изд-во Томск. гос. ун-та, 1975. - 179 с.

8. Морозов А.В., Кругликов А.А., Кислица К.Ю., Шаповалов В.Л., Явна В.А. Количественная обработка георадиолокационных данных // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. - 2011. - N° 3. - С. 96-105.

9. Нагата Т. Магнетизм горных пород. Пер. с англ. - М.: Мир, 1965. - 347 с.

10. Рекомендации по проведению георадиолокационных измерений для решения геологических задач. - Раменское: ООО «Логические системы», 2008. - 28 с.

11. Тафеев Г.А., Соколов К.П. Геологическая интерпретация магнитных аномалий. - Л.: Недра, 1981. - 327 с.

12. Электронный ресурс [http://magnetometer.ur.ru/content/view/12/9/lang,ru/

13. Ялунин С.В., Бессараб Ф.С., Карпов И.В., Радиевский А.В. О прямой задаче рассеяния для георадара. // Физико-математические науки. - 2009. -№ 04. - С. 31-34.

14. Яновский Б.М. Земной магнетизм. Ч. I. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1963. - 463 с.

15. Яновский Б.М. Земной магнетизм. Ч. II. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1964. - 445 с.

Информация об авторах:

Бредников Константин Игоревич, ассистент, Казанский (Приволжский) федеральный университет (г. Казань, Российская Федерация); b_kon@mail.ru

Хасанов Дамир Ирекович, кандидат геолого-минералогических наук, доцент, Казанский (Приволжский) федеральный университет (г. Казань, Российская Федерация); damir.khassanov@mail.ru

Утемов Эдуард Валерьевич, кандидат геолого-минералогических наук, доцент Казанский

Насыртдинов Булат Мансурович, старший преподаватель, Казанский

GEOPHYSICAL INVESTIGATIONS IN THE TERRITORY OF BOLGAR STATE HISTORICAL AND ARCHITECTURAL MUSEUM-RESERVE IN 2014

K.I. Brednikov, D.I. Khasanov, E.V. Utemov, B.M. Nasyrtdinov

The results of geophysical investigations which was carried out in 2014 in the territory of Bolgar State Historical and Architectural Museum-Reserve are reviewed in the article. Territory of Bolgar State Historical and Architectural Museum-Reserve is part of the UNESCO protected sites. The set of works included wide range of geophysical investigations: magnetometry, gravimetry, electrical prospecting and georadar. The main goal of investigations was detecting and localization of archaeological objects remnant (houses, mausoleums, kilns, etc.). Magnetometry was the basic method during carrying out the works. Magnetic measurements are used in the practice of archaeological investigations very widely due to the high informativeness and productiveness of this method. The major search objects are the brick bases and building walls, accumulation of fired ceramic, the remnants of furnace construction for various purposes. Georadar survey, gravity and electrical prospecting were used for localization of nonmagnetic objects. It is identified a line of objects differing in its properties and purpose as a result of research. There are furnaces, mausoleum bases, remains of domestic buildings. Methodology for conducting of field experiments has been refined and optimized in the process of carrying out of geophysical investigations.

Keywords: GPR, gravity investigation, magnetic investigation, electrical prospecting, geophysical anomalies, interpretation of geophysical data.

REFERENCES

1. Avten'ev G.K. Transformatsiya gravitatsionnykh poley pri obrabotke geofizicheskoy informatsii [Transformation of gravitational fields in the processing of geophysical data].Tomsk: Tomsk Polytechnic University Publ., 1979, 99 p.

2. Gladkiy K.V. Gravirazvedka i magnitorazvedka [Gravity and magnetic survey]. Moscow: Nedra Publ., 1967, 69 p.

3. Zhung-Kho Kim, Mayong-Zhong Yi, Zheong-Sul. Effektivnoe primenenie 3-D georadiolokatsionnoy s"emki dlya issledovaniy drevnikh ruin. Geoelektricheskaya laboratoriya. Koreyskiy Institut geofiziki i mineral'nykh resursov Daedzheon, Koreya [Effective use of 3-D GPR survey for studies of ancient ruins. Geoelectric Laboratory Korea Institute of Geophysics and Mineral Resources Daedzheon, Korea]. Perm': Prin Publ., 2004, 10 p.

4. Instruktsiya po magnitorazvedke. [Instructions magnetic survey]. Leningrad: Nedra Publ., 1981, 263 p.

5. Logachev A.A., Zakharov V.P. Magnitorazvedka [Magnetic survey]. Moscow: Nedra Publ., 1979, 359 p.

6. Mikov D.S. Integral'nye metody interpretatsii gravitatsionnykh magnitnykh anomaliy [Integral methods of interpretation of gravity magnetic anomalies]. Tomsk: Tomsk State University Publ., 1975, 93 p.

7. Mikov D.S. Metody interpretatsii magnitnykh anomaliy [Methods of interpretation of magnetic anomalies].Tomsk: Tomsk State University Publ., 1975, 179 p.

8. Morozov A.V., Kruglikov A.A., Kislitsa K.Yu., Shapovalov V.L., Yavna V.A. Kolichestvennaya obrabotka georadiolokatsionnykh dannykh [Quantitative treatment of GPR data]. In: VestnikRostovskogo gosudarstvennogo universitetaputey soobshcheniya [Bulletin of Rostov State Transport University], 2011, no. 3, pp. 96-105.

9. Nagata T. Magnetizm gomykh porod. Per. s angl. [Rock magnetism. Trans. from English]. Moscow: Mir Publ., 1965, 347 p.

10. Rekomendatsii po provedeniyu georadiolokatsionnykh izmereniy dlya resheniya geologicheskikh zadach [Recommendations for the GPR measurements to solve geological problems]. Ramenskoe: OOO «Logicheskie sistemy» Publ., 2008, 28 p.

11. Tafeev G.A., Sokolov K.P. Geologicheskaya interpretatsiya magnitnykh anomaliy [Geological interpretation of magnetic anomalies]. Leningrad: Nedra Publ., 1981, 327 p.

12. Digital resource [http://magnetometer.ur.ru/content/view/12/9/lang,ru/

13. Yalunin S.V., Bessarab F.S., Karpov I.V., Radievskiy A.V. O pryamoy zadache rasseyaniya dlya georadara [On the direct scattering problem for GPR.]. In: Fiziko-matematicheskie nauki [Physics and Mathematics], 2009, no. 04, pp. 31-34.

14. Yanovskiy B.M. Zemnoy magnetizm. Ch. I [Terrestrial Magnetism]. Leningrad: LGU Publ., 1963, part I, 463 p.

15. Yanovskiy B.M. Zemnoy magnetizm. Ch. II [Terrestrial Magnetism]. Leningrad: LGU Publ., 1964, part II, 445 p.

Information about the authors:

Brednikov Konstantin I., assistant, Kazan (Volga Region) Federal University, (Kazan, Russian Federation); b_kon@mail.ru

Hasanov Damir I., D.Sc. (geological-mineralogical), docent, Kazan (Volga Region) Federal University, (Kazan, Russian Federation); damir.khassanov@mail.ru

Utemov Eduard V, D.Sc.

Nasyrtdinov Bulat M., Senior lecturer, Kazan