Применение каппаметрии поверхности почвы для картирования археологических объектов, погребенных в паводковых наносах

Археология

Вестник ДВО РАН. 2013. № 4

УДК 902.26+552.1+550.84

Е.А. БЕССОНОВА, Е.И. ГЕЛЬМАН, Н.А. НИКОЛАЕВА

Применение каппаметрии поверхности почвы для картирования археологических объектов, погребенных в паводковых наносах

Показано и обосновано применение каппаметрии поверхности почвенного слоя и подпочвенных отложений для выявления строительных конструкций раннего средневековья, погребенных в паводковых отложениях. Основными факторами, определяющими эффективность примененной методики исследований, являются механическая дифференциация рыхлых отложений культурного слоя в процессе их образования в условиях антропогенной застройки, биологический круговорот веществ в почве и подпочвенном грунте, сорбционные процессы на глинистых минералах и гумусовом веществе почвенного слоя.

Ключевые слова: магнитная восприимчивость, культурный слой, паводковые отложения, эпоха средневековья.

The use of magnetic susceptibility measurements of soil surface for the mapping of the buried objects in flood

sediments. E.A. BESSONOVA (V.I. Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok), E.I. GEL’MAN (Institute of History, Archaeology and Ethnography of the Peoples of the Far East, FEB RAS, Vladivostok), N.A. NIKOLAEVA (V.I. Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

Is shown and justified the use of magnetic susceptibility measurements of soil surface and underlying soil deposits to help indentify early medieval building frameworks buried beneath flood silt. Key factors contributing to the effectiveness of this research technique are mechanical differentiation of loose deposits of vegetable soil during their accumulation in the course of anthropogenic construction activity, circulation of biological matters in the soil and underlying ground, sorption processes on clay-like minerals and soil humus.

Key words: magnetic susceptibility, cultural layer, flood sediments, medieval period.

Повышение эффективности неразрушающих методов исследования культурного слоя (КС) для выделения и оконтуривания археологических объектов является сложной, но чрезвычайно актуальной задачей. Как показали геофизические исследования городищ раннего средневековья, расположенных на территории Приморского края России, для грубой оценки мощности КС наиболее информативна электроразведка [1]. Архитектурный план поселений успешно реконструируется по результатам микромагнитного картирования. Однако микромагнитное картирование не всегда дает хорошие результаты. На территориях средневековых городищ в приповерхностном слое находится большое количество современных железных предметов: детали сельскохозяйственной техники, предметы быта, куски колючей проволоки и пр. Эти объекты не представляют поискового интереса и являются неустранимыми помехами при микромагнитном картировании. В качестве альтернативного метода на участке Краскинского городища с высоким уровнем

* БЕССОНОВА Елена Александровна - кандидат геолого-минералогических наук, научный сотрудник, НИКОЛАЕВА Наталья Алексеевна - научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток), ГЕЛЬМАН Евгения Ивановна - кандидат исторических наук, старший научный сотрудник (Институт истории, археологии и этнографии народов Дальнего Востока ДВО РАН, Владивосток). *Е-таі1: bessonova@poi.dvo.ru

Работа выполнена при поддержке грантами ДВО РАН 09-ІІІ-А-11-558, 12-ІІІ-Д-11-040, 13-ІІІ-Д-11-051.

магнитных помех применена каппаметрия поверхности почвенного слоя, по результатам которой выделены археологические объекты верхнего строительного горизонта.

Использование магнитной восприимчивости

для исследования почв и культурных слоев

Намагниченность верхней части осадочных отложений определяется широким распространением в них минералов железа, главным образом гидроокислов (гётита, гидрогётита, гидрогематита, лепидокрокита). Несмотря на низкие концентрации (менее 1% массы), эти минералы чувствительны к экологическим изменениям и могут быть преобразованы в более магнитные формы химическим путем [6]. Такие преобразования в отдельных случаях связаны с изменениями климата [3, 7]. На основе измерений магнитной восприимчивости можно выявлять присутствие в почве сильномагнитных оксидов и гидроксидов железа при их содержании выше 0,1% массы почвы. Это обстоятельство предопределило широкий интерес почвоведов, географов и археологов к использованию магнитной восприимчивости для изучения погребенных гумусовых горизонтов. Антропогенная деятельность напрямую связана с процессами, приводящими к изменению концентрации магнитных минералов в КС. Классификация результатов воздействия человека на окружающую среду, изменяющего ее магнитные свойства, приведена в работах [5, 6, 8].

Объект исследований

Краскинское городище расположено на юго-западе Приморского края в приустьевой правобережной части пойменной долины р. Цукановка, впадающей в бухту Экспедиции на западе зал. Посьета (Японское море) (рис. 1).

Климатические условия территории обусловлены ее положением на окраине Азиатского материка, на путях активных муссонов.

Рельеф поверхности поймы относительно ровный, с незначительным (менее 0,01 м/м) уклоном в южном направлении. В приустьевой части долина Цукановки заболочена, водообмен затрудненный и застойный. Почти ежегодно отмечаются наводнения, 1 раз в 4-5 лет - подтопление, 1 раз в 10-20 лет - катастрофическое наводнение.

Почвенный покров в северной части Краскинского городища представлен дерново-подзолистыми супесными и песчанистыми образованиями с тонким гумусовым слоем в верхней части. Сезонное переувлажнение почвы связано с повышенной влажностью воздуха в приморской полосе.

Растительность типична для прибрежной биоклиматической зоны Приморского края России. Она представлена вторичной травянистой растительностью прибрежных равнин, сформированной в результате ежегодных палов. Преобладает полынно-вейниковое разнотравье, достигающее на отдельных участках человеческого роста.

Основная часть геологического разреза Краскинского городища представлена обводненными песчано-глинистыми отложениями мощностью 2-4 м, в основании которых находится водоупор - слой глин большой мощности [1]. На городище высокий уровень грунтовых вод, что обусловлено наличием в районе исследований двух близповерхност-ных водоносных горизонтов.

Подпочвенный грунт (до 0,7м) в КС северной части Краскинского городища - это рыхлые отложения, состоящие из переслаивающихся гравийно-песчаных, песчаных и супесных (крупноалевритовых) образований, представляющих собой последовательность паводковых отложений пойменных возвышенностей: песчаные отложения образовались в начале спада паводковых вод, супеси откладывались при дальнейшем снижении скорости потока. В течение паводка накапливалось от 20 до 50 см песчаных и песчано-глинистых осадков. Эти отложения перекрыты почвенным слоем мощностью 0,3 м.

Рис. 1. Месторасположение Краскинского городища

КС Краскинского городища - сложное образование, содержащее несколько антропогенных пластов, преобразованных под влиянием природных процессов. Археологические раскопки 2005-2012 гг. показали, что он насчитывает не менее пяти строительных горизонтов и его мощность достигает 1,8-2,3 м.

Петромагнитные, минералогические,

гранулометрические и геохимические исследования почвы

и подпочвенного грунта

Исследуемый петромагнитный параметр - магнитная восприимчивость горных пород - определяется концентрацией ферромагнитных минералов и особенностями их состава и структуры [4]. Каппаметрия КС выполнена в северо-западной части Краскинского городища по квадратной сети наблюдений с шагом 0,5 м, заданным с учетом предполагаемых размеров искомых объектов, на площади 225 м2 в соответствии с планиграфией раскопок (раскопы ХЬ-ХЫУ). Измерения магнитной восприимчивости всей толщи КС проведены на площади 77 м2 (раскоп ХЬ). Магнитная восприимчивость рыхлых отложений измерялась прибором российского производства ПИМВ-М (ФГУНПП «Геологоразведка»).

11111 ж, Ю3М питгн^н *. 10^1

О 4 8 12 16 20 24 28 4 8 12 16 20 24 28

10 15 20 М 10 15 20

амо-^1

О 8 16 24 32 40 48

10 15 20

Рис. 2. Карты-схемы магнитной восприимчивости (М 1,50) поверхности почвы и грунта (раскопы ХЬ и ХЫУ, Краскинское городище) с результатами интерпретации. Магнитная восприимчивость: а - поверхности почвенного слоя; б - поверхности грунта после снятия почвенного слоя; в - поверхности грунта первого строительного горизонта; г - результаты раскопок первого строительного горизонта. Пунктиром показано положение в плане каменных фундаментов оград и зданий

Результаты измерений магнитной восприимчивости поверхности почвы представлены в виде карты с изолиниями (рис. 2а). Распределение исследуемого параметра характеризуется хорошо выраженными участками пониженных и повышенных значений с четкими границами диагонального простирания. Такая же картина распределения магнитной восприимчивости сохраняется после снятия почвенного слоя. Эти границы соответствуют положению в плане фундаментов строительных конструкций верхнего строительного горизонта, выявленных в процессе раскопок (рис. 2г). Здесь были обнаружены остатки каменного основания стен дворика, внутри которого находилось здание с каменными базами, служившими основаниями для опорных столбов. Постройка и дворик были ориентированы углами по сторонам света. Вход в дворик находился с северо-западной стороны ограды, ближе к северному углу. Размеры дворика составляли 7 х 8 м (56 м2), размеры

здания - 3,6 х 4,05 м (14,5 м2). На юго-западе исследуемого участка обнаружено здание, которое было заброшено и частично разрушено человеком.

На уровне первого строительного горизонта (40 см ниже поверхности почвы) и на поверхности подпочвенного грунта распределение магнитной восприимчивости рыхлых отложений КС полностью соответствует средневековому плану застройки участка (рис. 2б, в). Во внутренней части здания с каменными базами и на месте дворика магнитная восприимчивость грунта характеризуется пониженными значениями, с внешней стороны - повышенными. В северо-восточной части полуразрушенного здания фиксируются повышенные значения магнитной восприимчивости. С внешней стороны здания на участке, примыкающем к ограде дворика, магнитная восприимчивость почвы и грунта слабее.

В разрезе по вертикали отмечена тенденция плавного увеличения магнитной восприимчивости сверху вниз. В подпочвенном грунте выявлены высокие значения исследуемого параметра, нехарактерные для осадочных пород, - 0,3 х 10-3... 6 х 10-3 ед. СИ. В целом по вертикали можно выделить 4-5 слоев с различной конфигурацией границ мощностью от 30 до 60 см. Наибольшей магнитностью обладают нижние слои КС, залегающие на материке.

Гранулометрический состав рыхлых отложений КС в раскопах ХЬ и ХЫУ показан в табл. 1. С внешней стороны здания с двориком в верхней части подпочвенного грунта преобладают песчано-гравийные, песчаные и крупноалевритовые зерна. Внутри построек грунт образован в основном мелким алевритом и пелитом с небольшой примесью песчаных зерен. Для жилища наблюдается обратная ситуация. Гравийно-крупнопесчаные зерна практически полностью состоят из обломков пород, сростков зерен кварца и полевого шпата, которые редко содержат включения магнетита и ильменита. Более мелкие фракции (средний песок-крупный алеврит) представлены зернами кварца, полевого шпата, роговой обманки, эпидота, пироксена и другими минералами. При этом гравийно-песчаные зерна являются довольно чистыми и относительно свежими, что может объясняться их поставкой при разрушении недалеко расположенного гранитоидного массива. Крупноалевритовый материал отличается плохой сохранностью. Многие зерна покрыты тонкой железистой пленкой, трещиноваты. Трещины заполнены глинистым веществом и гидроокислами железа. Такое состояние зерен может свидетельствовать об их поступлении при размыве неглубокой площадной коры выветривания, развитой по гранитоидам.

Таблица 1

Гранулометрический состав рыхлых отложений КС Краскинского городища

Раскопы ХЬ, ХЫУ Содержание размерных фракций, %

Ог3+Р^ Р*2 А, А2+Р1

Центральная часть 23,0 34,2 3,8 39,0

Периферия 8,4 17,6 4,2 69,8

Примечание. Ог3+Р81 - мелкий гравий, крупный песок (> 0,5 мм), Рб2 - средний и мелкий песок (0,5-0,1 мм), А1 - крупный алеврит (0,1-0,05 мм), А2+Р1 - мелкий алеврит и пелит (< 0,05 мм).

Тяжелая фракция в песчаных отложениях составляет 12% от общего количества исследованного материала, в глинистых - значительно меньше (1,66%). Однако количество магнитных минералов в тяжелой фракции глин почти в 3 раза больше, чем в песках (табл. 2). Во всех пробах отмечены единичные зерна гидроокислов железа.

Повышенные значения магнитной восприимчивости в нижней части КС связаны с укрупнением материала рыхлых отложений в этой части разреза и увеличением общей массы зерен ферромагнитных минералов.

Содержание тяжелой фракции в рыхлых отложениях КС Краскинского городища

Отложения Содержание тяжелой фракции в исходном материале, % Состав тяжелой фракции, %

немагнитные минералы магнитные минералы

Мелкий алеврит и пелит Песчаные отложения 1,66 86,87 13,13 12,0 95,0 5,0

Таким образом, сопоставление результатов раскопок, гранулометрического и минералогического состава подпочвенного грунта показало, что в грунте с внешней стороны экспериментально выявленных фундаментов строительных конструкций и непосредственно над ними преобладают песчано-гравийные, песчаные и крупноалевритовые зерна. Материал во внутренней части строений представлен в основном мелким алевритом и пелитом с небольшой примесью песчаных зерен. Следовательно, границы диагонального простирания, выявленные по результатам каппаметрии подпочвенного грунта, разделяют отложения, содержащие зерна магнитных минералов различных размеров. Такие различия гранулометрического состава подпочвенного грунта с большой вероятностью являются результатом процесса механической дифференциации взвешенного вещества паводковых вод в результате фильтрации взвешенных частиц стенами жилищ и оград. При этом песчаные зерна задерживались стенами строений и осаждались с их внешней стороны, а мелкоалевритовые и пелитовые частицы просачивались внутрь строений. Здание в юго-западной части раскопа на момент последнего паводка было уже разрушено и не могло служить естественным фильтром.

Особенности измерения магнитной восприимчивости не позволяют оценить эту характеристику объекта исследования на глубину более 3 см. Каким образом особенности распределения магнитной восприимчивости подпочвенного грунта, залегающего на глубине 40 см, можно проследить на поверхности почвы? Для ответа на этот вопрос с учетом химического состава почвы и подпочвенного грунта была построена физико-химическая модель поведения железа в почвенном слое и подпочвенном грунте. Физико-химические основы моделирования и результаты вычислений подробно рассмотрены в работе [2]. В модели были учтены следующие важнейшие процессы:

1) комплексообразование железа с неорганическими лигандами,

2) комплексообразование железа с органическим веществом,

3) влияние pH, БИ и ионной силы почвенных растворов,

4) образование (разрушение) минералов железа,

5) образование глинистых минералов,

6) связывание растворенных форм железа глинистыми минералами.

В песчаных отложениях на глубине 0,7-2,3 м от поверхности почвы основными минералами являются кварц (более 50%), гидрослюды (до 30%), каолинит (10-15%), монтмориллонит, серицит и хлорит. Здесь железо распределено относительно равномерно. Основная его часть, как и алюминий, входит в состав гидрослюд (иллитов). При смене окислительной обстановки на восстановительную значительная часть гидроокислов железа переходит в форму железа (II). При смене восстановительных условий на окислительные двухвалентное железо, при наличии свободного кислорода и отсутствии или недостатке воды, становится магнетитом и, в гораздо меньшей степени, гематитом. В водном растворе наиболее вероятно образование карбонатов и сульфатов железа (III).

На рис. 3 представлена модель процессов миграции основных химических элементов в верхней части КС Краскинского городища.

При дополнительном притоке и застое влаги, который характерен для приустьевой части пойменной долины на территории Краскинского городища, подпочвенные отложения

2 0 и

I -10

Я

ю

І* -20

С

-30

-40

-50

-60

Концентрирование АІ, Ре, Мп, Мя, Са

Почва

Обеднение АІ, Ре, Мп, Мд, Са

і ! 1 1 Ог.шннванне Сорбция ЛІ, Ре, Мп, Мд, Са

Концентрирование ЛІ, Ре, Мп, Мц, Са Мелкий алеврит и мелит 1 1 Обеднение ЛІ, Ре, Мп, Мв, Са

Песчано-гравийные, песчаные, крупноалевритовые зерна

Рис. 3. Модель процессов миграции основных химических элементов в верхней части КС Краскинского городища

подвергаются восстановительным процессам и оглеению. В песчаных отложениях наблюдается концентрирование Л1, Fe, Mn, Mg, Ca в поверхностном почвенном слое и на уровне 0,7 м от поверхности из-за процессов, протекающих под влиянием восходящих миграционных потоков биогенных элементов, захватываемых почвенной растительностью, при одновременном нисходящем миграционном потоке, элементы которого сорбируются глинистыми минералами в нижележащей части разреза. В почвенном слое при участии железоредуцирующих бактерий происходит дальнейшее преобразование железа в магнетит. В то же время в отложениях, представленных супесью, приповерхностный почвенный слой и нижний уровень разреза обеднены указанными элементами. На уровне 0,35-0,5 м от дневной поверхности наблюдается оглинивание и образование вторичных минералов железа и алюминия, которые сорбируют А1, Fe, Мп, Mg, Са.

В случае увеличения концентраций хлора, брома, фосфора и серы отмечается уменьшение валовых концентраций железа. Поэтому локальные аномалии магнитной восприимчивости, указывающие на участки с пониженным содержанием железа, могут относиться к бытовым очагам, зола которых является источником этих элементов. Введение в субстрат органического вещества (мусорные ямы и т.п.), напротив, способствует обогащению грунта железом, алюминием и кальцием. Это происходит главным образом за счет образования гуминовых комплексов, которые плохо растворимы в воде. Для образования магнетита на таких участках задействуется скорее всего бактериальный механизм.

Следует отметить, что процессы преобразования железа наиболее динамично протекают в самой верхней части КС - почвенном слое и подпочвенном грунте до глубины 0,7 м. В средней части и основании разреза на глубине 2,2 м установлено относительно равномерное распределение железа.

Уменьшение валовых концентраций железа и увеличение содержания натрия может указывать на солоноватый характер грунтовых вод, что не отмечено на участке исследований. Следовательно, в грунте отсутствуют геохимические признаки проникновения морских вод в северную часть Краскинского городища, несмотря на близость поселения к морскому берегу. Это дополнительный аргумент в пользу паводкового характера накопления рыхлых отложений КС.

Выводы

Эффективность каппаметрии поверхности почвенного слоя и подпочвенных отложений для выявления археологических строительных конструкций, скрытых в современных геологических отложениях (паводковые наносы) северной части Краскинского городища, определяется природными и антропогенными факторами: механической

дифференциацией рыхлых отложений КС в процессе их образования в условиях антропогенной застройки; биологическим круговоротом веществ в почве и подпочвенном грунте; сорбционнымипроцессами на глинистыхминералах игумусовомвеществе почвенногослоя.

Локальные особенности распределения магнитных минералов в КС северо-западной части Краскинского городища в основном связаны с результатами антропогенной деятельности, влияние природных процессов здесь вторично и, как правило, только усиливает антропогенную составляющую.

Наиболее динамично процессы преобразования железа протекают в самой верхней части КС - почве и подпочвенных отложениях.

Картирование археологических объектов (преимущественно строительных конструкций эпохи средневековья, расположенных на территории с высокой динамикой водных потоков, т.е. в приустьевой части речной поймы), основанное на особенностях распределения магнитных минералов в почвенном слое и подпочвенном грунте, в настоящее время успешно применяется для планирования раскопок на Краскинском городище. Такие исследования могут эффективно использоваться для картирования археологических объектов на любых памятниках с похожими физико-географическими и геологическими условиями.

Рассмотренная методика исследований позволяет сократить временные, трудовые и финансовые затраты на предварительные диагностические работы как при выборе участков раскопок, так и в процессе полевых исследований.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бессонова Е.А., Залищак В.Б., Ивлиев А.Л. Геофизические исследования на Краскинском городище в 2006 году // Отчет об археологических исследованиях на Краскинском городище Приморского края России в 2006 г. Сеул: Фонд изучения истории Северо-Восточной Азии, 2007. C. 177-195, 335-338.

2. Болдин В.И., Гельман Е.И., Асташенкова Е.В. и др. Археологические исследования российско-корейской экспедиции на Краскинском городище в российском Приморье в 2010 г. Сеул: Фонд изучения истории СевероВосточной Азии, Республика Корея; ИИАЭ ДВО РАН, 2011. 396 с. Кор. и рус. яз.

3. Ревякин П.С., Бородовой В.В., Ревякина Э.А. Высокоточная магниторазведка. М.: Недра, 1986. 272 с.

4. Шолпо Л.Е. Использование магнетизма горных пород для решения геологических задач. Л.: Недра, 1977.

40 с.

5. Clark. A.J. Seeing Beneath the Soil: Prospecting methods in archaeology. L.: Batsford Ltd, 1990. 192 p.

6. Linford N. Archaeological applications of naturally occurring nanomagnets // J. phys. 2005. Vol. 17, N 1. P. 127-144.

7. Maher B.A., Thompson R., Hounslow M.W. Introduction to quaternary climates, environments and magnetism // Quaternary climates, environments and magnetism. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1999. P 1^8.

8. Mullins C.E. The magnetic properties of the soil and their application to archaeological prospecting // Archaeo-physika. 1974. Vol. 5, N 2. P. 143-347.