Использование магнитометров археологами и поисковиками

Данная статья написана для археологов и поисковиков, использующих пешеходные магнитометрические приборы – магнитометры и градиентометры при поисках различных исторических артефактов: от объектов времён Первой мировой и Великой Отечественной войн до строений и исторических реликвий античных времён.

1. Возможности магнитных исследований

Опыт применения магниторазведки в археологических целях насчитывает уже около сотни лет. Магниторазведочной аппаратурой обнаружены сотни затонувших судов и самолётов по всему миру, множество единиц тяжёлого вооружения на территории бывшего Советского Союза и Европы. 

"Титаник"

В частности, обломки «Титаника» были найдены обычным морским магнитометром с буксируемым магниточувствительным датчиком. И современные подводные лодки отыскиваются в морских глубинах магнитометрами, установленными на самолётах, судах и специальных буях.

Применение магниторазведки при археологических исследованиях (как, впрочем, и электроразведочных методов) в обязательном порядке изучается студентами на историко-археологических факультетах всех зарубежных университетов.

Сразу заметим, что, конечно же, легче всего с помощью магнитных методов отыскиваются железосодержащие предметы – они сильнее намагничены. И поэтому магнитометры и градиентометры часто используют поисковые отряды – обнаружение с их помощью оружия, боеприпасов и военной техники не составляет большого труда. Ориентировочные глубины обнаружения железных предметов и интенсивности аномалий над ними указаны в разделе 3.3 этой статьи.

Несколько сложнее обстоит дело с обнаружением археологических объектов, обладающих слабой намагниченностью – погребённых фундаментов, захоронений, пустот и др. Но даже такие сложные цели вполне «по зубам» при правильной технике работ, основы которой мы будем излагать в последующих разделах.

Проиллюстрируем сказанное несколькими примерами магниторазведочных исследований на типичных археологических объектах (по N.Smekalova).

 Рис. 1. На двухмерной карте магнитного поля чётко видны положительные (синие) аномалии и их отрицательная часть (красные) от очагов вдоль древних улиц.

2. Что такое магнитные поля? Физические основы магниторазведки

2.1. Магнитное поле Земли. 
Магнитное поле, измеряемое магнитометрами – это сумма полей от нескольких источников. Самая большая часть магнитного поля, конечно, поле Земли как планеты. Его величина плавно меняется от полюса до полюса и составляет величину порядка 40 000-50 000 нТл (нанотесла) для наших широт. Зарубежные геофизики используют единицу «гамма», численно равную принятой у нас нанотесле. 

Рис.2. Магнитное поле Земли. Изолинии в сотнях тысяч нТл.

Второй по значимости фактор – геологический. В зависимости от содержания магнитных минералов (в первую очередь, магнетита), аномалии от геологических образований могут составлять от единиц нТл до тысяч нТл, при размерах в плане от первых метров до сотен и тысяч километров.

 

Казалось бы, как на фоне таких мощных магнитных полей выделить слабые сигналы от археологических объектов? Оказывается, всё довольно просто. Коль скоро магнитные поля матушки-Земли, а также её крупных геологических образований меняются плавно, то идущему с магнитометром поисковику совершенно безразлично, что показывает прибор – значения поля меняются настолько медленно, что компактная, но интенсивная аномалия (а именно такими аномалиями фиксируются обычно объекты археологического поиска), вдруг выскочившая среди спокойного поля, сразу привлечёт его внимание. В 99,9% случаев это будет аномалия, вызванная т.н. «антропогенным фактором» – следами культурной (или не очень) деятельности человека. Оставшийся ничтожный процент может быть связан с залежами болотных железных руд либо с небольшим ожелезнением в осадочных породах. И то, и другое встречается очень редко. 

На руку поисковикам и тот фактор, что большая часть территорий, на которых они работают, покрыты мощным чехлом рыхлых немагнитных отложений, который совершенно сглаживает магнитное поле глубинных геологических образований (за счёт удалённости магнитометра от источника полей). В горных районах, где поля от скальных пород более интенсивны, поисковик легко отличит их по размерам в плане и просто визуально – скала есть скала.

Итак, с магнитным полем Земли мы справились. Вернее, с его постоянной, не меняющейся во времени, частью. Но нас подстерегает другая, более коварная помеха – магнитные поля, меняющиеся во времени, или геомагнитные вариации.

2. 2. Геомагнитные вариации

Происхождение временных вариаций магнитного поля космическое – это прямое или косвенное воздействие солнечного ветра на магнитосферу Земли. Но досаждает это явление геофизикам и поисковикам вполне по-земному: магнитное поле всегда, в любое время суток, и во всех точках планеты изменяет свою величину с разной скоростью и в разных пределах, искажая данные полевых измерений. Вариации поля условно делятся на солнечно-суточные, амплитудой 20-50 нТл, имеющие вид неправильной синусоиды с периодом в несколько часов и короткопериодные микропульсации, имеющие периоды от нескольких секунд до десятков минут, а амплитуды от единиц до десятков нТл.

Рис. 3. Геомагнитные вариации. Суточные, микропульсации и магнитная буря.

Способы борьбы с этим видом помех давно разработаны геофизиками, и они настолько же эффективны, насколько и громоздки. В разведочной геофизике, где, как правило, достаточно аппаратуры и специалистов, на участке просто устанавливается второй, неподвижный, прибор (он называется магнитовариационной станцией). Станция измеряет эти самые вариации, величину которых потом, при обработке на компьютере, вычитают из показаний полевых приборов, перемещаемых по исследуемой площади. 

Но что же делать поисковикам, располагающим только одним прибором? Ну, во-первых, если вы ищете достаточно серьёзные вещи – допустим, крупную военную технику или даже стрелковое оружие, то аномалии от этих объектов будут превосходить по амплитуде даже солнечно-суточные вариации, и вы их не пропустите. Однако если ваши объекты залегают достаточно глубоко, то аномалии от них будут не только сглаженные, но и малоамплитудные. Тут уж, как говорится, не поможет «ни бог, ни царь и ни герой» – величина полезного сигнала может оказаться меньше величины помехи. 

Единственный выход – использование не магнитометра, а градиентометра, показания которого не подвержены ни вариациям, ни влиянию геологических образований. А поисковику с магнитометром придётся смириться с тем, что часть артефактов окажется за пределами его технических возможностей.

Третий вид магнитных вариаций – магнитные бури. Они происходят с частотой примерно один раз в месяц, одновременно по всей планете, и достигают амплитуды от сотен до многих тысяч нТл. Геофизики узнают об этом явлении от оператора своей магнитовариационной станции, и в такой день (или дни) полевые работы не проводятся – запрещены «Инструкцей по производству магниторазведочных работ», т.к. в этом случае получается только брак. Поисковик, скорее всего, тоже не сможет работать – показания прибора будут постоянно меняться, даже если прибор неподвижен. Продолжительность магнитных бурь – от нескольких часов до нескольких дней (редко).

2.3. Намагниченность.
Магнитные аномалии обусловлены двумя видами намагниченности: индуцированной и остаточной.

Индуцированная намагниченность проявляется как реакция материала на воздействие внешнего магнитного поля (например, поля Земли). Убрать или изменить внешнее поле – исчезнет или изменится индуцированная намагниченность. Для предметов, представляющих поисковый интерес, этот вид намагниченности большого значения не имеет – основную часть магнитных аномалий обеспечивает остаточная намагниченность. Как следует из названия, это намагниченность связана с историей образования материала, из которого предмет состоит. Остаточная намагниченность обеспечивает 90% интенсивности всех наблюдаемых магнитных аномалий.

2.4. Аномалии магнитного поля.

 Рис.4. Магнитная карта и план раскопок захоронения каменного века (мегалит). Изолинии через 5 нТл.

Если предмет имеет приблизительно изометричную форму (т.е. ширина и длина его отличаются не более, чем в 2-4 раза), то магнитная аномалия в на расстоянии 3-4 радиусов от него имеет вид аномалии от магнитного диполя (рис.4). Поле диполя затухает обратно пропорционально кубу расстояния от магнитометра до тела. Вертикальный и горизонтальный градиенты поля на таком расстоянии примерно одинаковы. Соотношение положительной и отрицательной частей аномалий зависит от направления вектора остаточной намагниченности объекта и от положения самого объекта в пространстве.

Рис. 5. Поле магнитного диполя в виде изолиний и в виде графиков по маршрутам, пересекающим аномалию.

Если предмет сильно вытянут (трубопровод, трос и т.д.), то графики над ним (при поперечных маршрутах) будут иметь вид графика на final traverse рис.5. Зависимость амплитуды и ширины аномалии от размера и глубины залегания тела показаны на рис. 6. Очевидно, что при одинаковой намагниченности малое тело, залегающее на небольшой глубине, может давать аномалию той же амплитуды, что и большое, однако будет отличаться своей шириной. Обратите внимание, что градиент поля (скорость изменения в пространстве) также будет отличаться – у близповерхностного малого тела градиент больше.

Рис.6. Влияние размера и глубины тела на вид магнитной аномалии.

3.2. Методика проведения работ
Прежде всего оператор магниторазведочного прибора не должен иметь при себе железосодержащих предметов, каковыми могут являться: карманный нож, часы, компас, металлические молнии на одежде, сотовый телефон, и прочее. Проверить, влияет ли предмет на показания просто – надо поднести его к датчику. Очень сильно влияют стальные супинаторы в обуви. Не забывайте обращать внимание на подобные "мелочи".

Рис.7. Площадная магниторазведка с градиентометром по предварительно разбитой сети (по Н.Смекаловой).

Магниторазведочные работы могут быть площадные и маршрутные.

Площадные работы требуют значительных затрат времени и не дают немедленного результата. Т.е. по ходу выполнения этих работ оператор не сходит с маршрута, попав в аномальное, по его мнению, поле и не начинает пытаться выявить его источник. Суть этого метода исследований в покрытии участка равномерной сетью профилей. При этом важнейшим параметром является расстояние между профилями и расстояния между точками измерений на самом профиле.

Расстояние между профилями в зависимости от размеров искомого объекта выбирается таким, чтобы профили пересекали аномалию над ним не менее, чем 2 раза. Обычно в зависимости от глубины и намагниченности предмета размер аномалии превышает его размер в 1,5-3 раза. Профили ориентируются, по возможности, перпендикулярно длинной оси объекта, если её направление известно. Расстояние между точками измерений на профиле должно быть в 4 и более раз меньше, чем расстояние между профилями (в случае применения феррозондовых градиентометров, дающих непрерывную информацию вдоль линии наблюдения, этот параметр, естественно, не имеет смысла).

Участок делается по возможности прямоугольным. Если участок большой, он разбивается на квадраты примерно 20х20 метров и отрабатывается по этим квадратам. Предварительно в начале и в конце каждого профиля устанавливаются колышки, каждому профилю присваивается порядковый номер. Начинаются измерения с самого крайнего профиля №1, затем 2 и т.д. Вдоль профиля натягивается мерная лента или шнур, оператор делает для измерений остановку согласно выбранному расстоянию между точками, например, через 0,5 метра. Показания магнитометра на каждой точке записываются на магнитный носитель, а при его отсутствии – в журнал, с отметкой номера профиля и номера точки на профиле. Проход по профилям для экономии времени выполняется «змейкой».

После выполнения полевых работ приступают к обработке полученных данных с целью построения карт магнитного поля. Если имеется комплекс компьютерных программ, позволяющих строить карты, то процесс работ на этом заканчивается. Если такой возможности нет, обработка производится вручную. Для этого сначала на миллиметровой бумаге вычерчивается масштабированный план участка. Выбирается любой удобный масштаб. Допустим, 1 см карты соответствует 1 метру на поверхности участка (масштаб 1:100). Наносится сетка профилей и точек с нумерацией. На каждой точке подписывается значение поля, которые затем соединяются линиями равных значений магнитного поля. Проводить их лучше мягким карандашом. Допустим, самое большое значение поля на участке 50587 нТл, а самое маленькое 50110 нТл. Естественно, следует подписывать на точках лишь значения выше 50 000. Например, вместо 50148 пишем 148.

Сечение изолиний (число нТл между соседними изолиниями) выбираем исходя из амплитуды аномалий, которые предстоит обнаруживать. Сечение д.б. не менее, чем в 2 раза меньше, и чаще всего кратное 2, 5 или 10. Например, выделяются аномалии от 10 нТл и выше – сечение не менее 5 нТл.

По картам магнитного поля выделяются структуры, которые предположительно могут быть связаны с интересующими объектами.

Маршрутные поисковые работы много проще: поисковик просто ходит с магнитометрам по участкам, которые он считает перспективными по произвольным маршрутам и через произвольно же выбираемые интервалы останавливается и выполняет измерения магнитного поля. Очевидны как преимущества метода – оперативность и простота, так и недостатки – неравномерное обследование участка и, как результат, большая вероятность пропуска объектов.

Надо сказать, что работа со специализированными поисковыми приборами (градиентометрами) также возможна как в площадном, так и в маршрутном вариантах, однако поисковые приборы позволяют выполнять археологические поиски в разы легче и быстрее.

 Рис. 8. Магнитное поле в трёхмерном виде. Аномалии соответствуют железным предметам. Рис.9. Съёмка градиентометром. Видны натянутые шнуры, соответствующие профилям (справа). 

Конечно же, оба метода имеют право на существование и применяются в зависимости от поставленных задач и возможностей исследователя.

3.3. Объекты поиска и аномалии над ними.
Пешеходные магнитометрические приборы могут быть полезными при решении следующих задач:
- поиски утерянных предметов
- поиски затопленных объектов
- поиски предметов, захороненных под слоем земли, скальных пород, льда. В последнем случае это могут быть транспортные средства, трубы, трубопроводы, лодки, оружие, боеприпасы, авиационные двигатели и самописцы, рельсы, устья скважин, станки, цепи, якоря, лыжники, попавшие под лавину с лыжами, на которых установлены специальные магниты.

- поиски археологических объектов, имеющих остаточную намагниченность, к которым относятся: фундаменты и строения, содержащие обожжённый кирпич и камни, очаги и печи, в некоторых случаях подземные пустоты.

Заметим, что величина аномалии от железосодержащих предметов сильно зависит от марки стали, из которой он изготовлен. В частности, нержавеющая сталь менее магнитна, чем обычная, а нержавеющая сталь марки 300 можно считать немагнитной.

Вообще аномалия магнитного поля затухает обратно пропорционально кубу расстояния между датчиком магнитометра и объектом, что позволяет путём сравнительно несложных вычислений определить расстояние до объекта. Для этого существует развитый математический аппарат и разработаны специальные программы, есть и «ручные» методы. Однако применительно к археологическим объектам они практически не применяются по причине их неглубокого (до первых метров) расположения. При этом любой поисковик может приблизительно прикинуть по размеру и интенсивности аномалии, как глубоко находится объект. 

Например, небольшая в плане интенсивная, но быстро исчезающая с высотой аномалия связана с небольшим, неглубоко погруженным предметом. А большая по площади аномалия, медленно затухающая с высотой – с крупным глубоко залегающим предметом (см. рис. 6). Понятно, что термины «быстро, медленно затухающая», «большая, малая интенсивность», «большая, малая в плане аномалия» относительны, и дают, на первый взгляд, весьма размытое представление. Однако умение по характеру аномалии оценивать параметры найденного объекта быстро приходит с опытом.

Приведём некоторые расстояния (глубины), с которых могут быть обнаружены некоторые объекты (по S. Breiner): .

Автомобиль весом 1 тонна даёт аномалию 40 нТл на расстоянии 10 метров и 1 нТл на расстоянии 30 метров;
Корабль 1000 тонн – от 300 до 700 нТл на 30 метрах;
Лёгкий самолёт – от 20 до 30 нТл на 7 метрах; 0,5-2 нТл на 17 метрах;
Отвёртка длиной 5 дюймов – 5-10 нТл на 1,7 метра; 0,5-1 нТл на 3 метрах;
Пистолет 38 или 45 калибра – 10-20 нТл на 1,7 метра, от 1-2 нТл на 3 метрах;
Стрелковое оружие – 10-50 нТл на на 1,7 метра, 2-10 нТл на 3 метрах.

Типичные археологические объекты – фундаменты, скопления керамики дают аномалии от первых нТл до десятков на расстояниях 0,5-1 м. Очаги, печи – от нескольких до десятков до сотен нТл.

Рис. 10. Древние постройки и очаги в магнитном поле, представленном в двухмерном виде. Рядом план обнаруженного и расчищенного сооружения. 

3. Результаты работ и их истолкование

Результаты поисковых работ очевидны – в ходе движения по произвольному маршруту обнаруживается аномалия, методом «холодно – теплее – горячо» находится её центр. Поисковик, обследовав аномалию и оценив её интенсивность, размеры на поверхности и форму, делает вывод о её связи или отсутствии таковой с нужным объектом, и объект извлекается или не извлекается из земли.

Рис.11. Магнитное поле на поселении викингов. Аномалии над очагами. Двухмерное (слева) и трёхмерное (справа) изображение.

Результаты площадных работ после обработки компьютером с помощью специальных программ представляются в двухмерном или трёхмерном виде. Как правило, масштабные объекты – фундаменты, стены, другие строительные сооружения опознаются по характерным контурам и размерам. Определить же по магнитной аномалии природу небольшого объекта практически нельзя, возможно лишь предположить материал, из которого предмет состоит. Это связано прежде всего с тем, что аномалия не повторяет форму предмета (мы помним, что с расстоянием она быстро вырождается в аномалию над диполем). Размер и форма аномалии также зависят от величины и направления намагниченности предмета, а также от его глубины. Однако тот факт, что в магниторазведке практически не бывает ложных аномалий, а также то, что практически не существует природных экранов постоянного магнитного поля, выдвигает этот метод на первое место по эффективности при археологических исследованиях.

Заключение

Подведём некоторые итоги. Очевидно, что магниторазведка обладает рядом преимуществ перед другими техническими методами в археологии, в частности, перед электроразведочными (съёмки с металлоискателями, георадарами, зондированиями и профилированиями):

- большая глубинность;
- компактность аппаратуры;
- отсутствие ложных аномалий;
- простота истолкования результатов;
- отсутствие природных помех;
- возможность работы в любых условиях – по льду, по болоту, на воде и пр.

Однако не забывайте о недостатках магнитометров. Основным является отсутствие дискриминации, присущей практически всем современным металлоискателям. Также магнитометр не является оптимальным выбором при поиске мелких предметов на небольшой глубине.

Поэтому не существует прибора, дающего исчерпывающую информацию обо всех объектах, за исключением, конечно же, поисков железных объектов – тут ответ очевиден. И потому, как и в «большой» геофизике, самыми эффективными являются комплексные исследования, когда применяются сразу несколько методов, каждый из которых освещает определённые свойства объекта. Конкретный перечень методов, конечно же, зависит от конкретных целей исследований, от предполагаемой глубины, размеров и свойств объекта.

С.Г.Седов. кандидат геол.-минер. наук