3D интерпретация данных высокоточной магнитной съемки над археологическим памятником Ахан, Индия. 3D интерпретация данных высокоточной магнитной съемки над археол. Министерство образования и науки российской федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования новосибирский национальный исследовательский государственный университет
 Скачать 1.72 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НОВОСИБИРСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» (НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ, НГУ) Геолого-геофизический факультет Выпускная квалификационная бакалаврская работа Кафедра геофизики Селезнев Денис Сергеевич Название работы: 3D интерпретация данных высокоточной магнитной съемки над археологическим памятником Ахан, Индия. Научный руководитель: к.г.-м.н., доцент кафедры геофизики ГГФ Дядьков Пётр Георгиевич Новосибирск – 2016 год Оглавление:Введение 3 Глава 1. Геолого-геофизическая характеристика районов исследования. 4 1.1. Памятник Ахан-1, Штат Джамму и Кашмир (Республика Индия) 4 Глава 2. Физическое обоснование метода. 7 2.1. Магнитное поле Земли и аномальное магнитное поле тел 7 Рис. 2.1.3. Пример аномального поля над погребенным археологическим объектом. [Смекалова, Восс. 2007] 10 Глава 3. Проведение магнитной съёмки на археологическом памятнике Ахан. Анализ и интерпретация полученных данных. 12 3.1. Аппаратура и методика магнитной съёмки 12 3.2. Анализ и интерпретация аномального магнитного поля 16 3.3. 3D магнитная модель археологического объекта Анан-1. 18 Выводы 21 Список литературы: 22 ВведениеНачало использования классических геофизических методов положено с работ Аткинсона по измерению удельного электрического сопротивления на археологическом памятнике в 1946 г., и с тех пор археологи все больше и больше используют геофизические методы для проведения исследований погребенных объектов культурного наследия [Weymouth, 1986]. За последние десятилетия магниторазведка прочно вошла в перечень методов поиска и разведки археологических погребенных памятников. Этот метод считается наиболее гибким и эффективным среди других методов геофизических методов, применяющихся в археологии, так как многие археологические объекты имеют ряд характеристик, позволяющих выделять их на картах аномального магнитного поля [Эпов, Чемякина, 2000]. Цель работы: Восстановить погребенную структуру и геометрические параметры археологического памятника Ахан-1, Индия. Задачи: Провести 2D интерпретацию для получения предварительных параметров объектов исследования. Провести 3D интерпретацию и анализ результатов магнитной съемки на объекте. Глава 1. Геолого-геофизическая характеристика районов исследования.1.1. Памятник Ахан-1, Штат Джамму и Кашмир (Республика Индия)Археологический памятник Ахан-1, расположенный вблизи одноименной деревни, представляет собой холм, сформированный культурными отложениями. Информации о характере культурных отложений получено не так много. Полноценную раскопку памятника провести не удалось, собственник участка дал разрешение только на два раскопа. Для поиска и идентификации археологических объектов был выбран метод магнитометрии как наиболее эффективный (по времени) для поставленной задачи. Территория, где проводилась съемка, представляет собой рисовые поля. Поверхность искусственно выровнена. Грунт глинистый, с включениями обожженной глины. На участке магнитной съемки № 1 были сделаны два раскопа (рис1.1.1).  Терракотовая плитка Каменная кладка Терракотовая плитка 0,8 м 4 м  Рис. 1.1.1. Вид раскопа №1 на участке № 1(слева), план раскопа №1 Раскоп № 1. Раскоп размером 4×1 м заложен на северной оконечности участка, ориентирован по линии ЮЮВ-ССЗ. После удаления пашенного слоя, мощностью 0,15 м, стала видна кладка, расположенная в центре раскопа, шириной 0,8 м, сложенная из камней. Так же на одном уровне, по обоим сторонам кладки прослеживаются слой обожженной глины. Раскоп № 2. Абсолютно идентичный первому по геометрическим параметрам и ориентировке, заложен по центру участка № 1. После снятия пашенного слоя, мощностью 0,15, стал виден объект конический формы, предположительно водоток, сложенный обожженной глиной с включениями крупных камней. В ходе проведения работ на раскопах были извлечены и изучены образцы. У образцов была измерена магнитная восприимчивость (χ) (Таблица 1.1.1).
Таблица 1.1.1. Значения магнитной восприимчивости горных пород на археологическом памятнике Ахан-1. Для замеров использовался прибор МП-01 Глава 2. Физическое обоснование метода.2.1. Магнитное поле Земли и аномальное магнитное поле телНеобходимо объяснить ряд терминов используемых в магниторазведке. На дневной поверхности мы меряем значения магнитной индукции (В), она зависит от напряженности магнитного поля (Т) зависят как  , где  Гн/м - магнитная постоянная в СИ. Не стоит забывать эти значения векторные. Магнитная индукция (В) измеряется в теслах (Тл) и нанотеслах (нТл), а напряжённость (T) в Эрстедах. В магниторазведке принято отмечать символом Т - модуль вектора магнитной индукции.  Вектор напряжённости магнитного поля можно разложить по 3 составляющим в прямоугольной системе координат, где ось Х направленна на географический север, ось Y направленна на восток, а ось Z вертикальна и направленна вниз к центру земли. Соответственно составляющие вектора напряженности поля T по осям раскладываются на северную, восточную и вертикальную. Проекцией вектора Т на горизонтальную плоскость ХY называется горизонтальной составляющей поля, обозначается как H. Угол между составляющей Н и осью x называется склонением - D. Угол между составляющей Н и вектором Т называется наклонением и обозначается I (рис 2.1.1).Рис. 2.1.1. Элементы геомагнитного поля. Известно, что геомагнитное поле в первом приближении можно взять дипольным, это эквивалентно полю однородно намагниченного шара, что подходит нам для приближенного представления поля на поверхности Земли. На поверхности шара радиусом r Для этого приближения уравнение значения полного вектора магнитной индукции:
где M – магнитный момент Земли,  . Как видно из формулы 2.1.1, Т изменяется от  на экваторе до  на полюсах. В итоге диапазон изменения напряженности T изменяется от 0,66 до 0,33 Э (1 Эрстед = ) [Логачев, Захаров, 1979].Но Земля не состоит из однородного материала, иначе бы, магнитные силовые линии имели равномерное распределение между полюсами, и в пределах локальных областей они были бы параллельны. Реальное магнитное поле, наблюдаемое на поверхности, выглядит намного сложнее (рис. 2.1.2) и включает в себя несколько слагаемых.
где To — поле однородного намагничения (дипольное поле), соответствующее первым членам Гауссовского разложения магнитного потенциала Земли в ряд по шаровым функциям; Тм — поле «мировых» или «материковых» аномалий поперечником в несколько тысяч километров; Твп — часть поля, обусловленная внешними факторами; Та -поле от аномальных тел локального или регионального масштаба протяженностью от нескольких метров до нескольких тысяч километров[Справочник геофизика…, 1990].  а) б) в) Рис. 2.1.2. Карты изолиний а) склонения D, б) наклонения I, и в) полный модуль вектора магнитной индукции Т поля на 2005 год. Аномалии от горных пород или, в нашем случае, от археологических объектов обычно связаны с содержанием в них магнетита от долей до нескольких процентов. Аномалии магнитного поля Земли возникают из-за индуцированной или остаточной намагниченности. Индуцированная намагниченность возможна лишь во внешнем магнитном поле. Остаточная намагниченность не зависит от внешних источников магнитного поля. Она возникает во время нагрева, когда области, называемые доменами, переориентируются. Во время остывания домены имеют тенденцию располагаться по направлению современного магнитного поля Земли. Таким образом у породы сохраняется намагниченность, сонаправленная магнитному полю Земли в момент охлаждения породы [Heimmer, 1995]. Для поиска археологических объектов важны оба вида намагниченности. Разница в магнитной восприимчивости между верхним слоем почвы и вмещающими породами, залегающими под почвой, позволяют обнаружить такие объекты как: ямы, канавы, вырытые, а потом занесенные грунтом из верхнего слоя почвы. Они все выделяются на картах аномального магнитного поля положительными аномалиями. Если объект сложен менее магнитным материалом, то эти объекты является источником отрицательных аномальных магнитных полей. В итоге мы наблюдаем, на археологическом объекте, довольно сложное по своей структуре магнитное поле (рис.2.1.3). Положительные и отрицательные аномалии от различных археологических объектов сложенных из материалов с низкой магнитной восприимчивостью или ямы заполненные почвой, создают локальные магнитные аномалии в диапозоне до сотен нТл, сложные структуры, сложенные терракотой, дают аномалии до тысячи нТл, более редкие железные археологические объекты создают аномалии до нескольких тысяч нТл [Becker, Fassbinder. 1999].  Рис. 2.1.3. Пример аномального поля над погребенным археологическим объектом. [Смекалова, Восс. 2007]2.2. Программное обеспечение для решения прямых и обратных задач. В ходе интерпретации данных применялись два программных пакета для решения прямых и обратных задач магниторазведки. Программа ZondGM2D предназначена для двумерной интерпретации данных магниторазведки и гравиразведки в наземном, скважинном и аэро вариантах. В программе используются алгоритмы, где вмещающая среда разбита регулярной сетью ячеек, представлена набором тел с полигональным сечением и произвольно-слоистая среда. В программе ZondGM2D реализован классический вариант деконволюции Эйлера, позволяющий получить распределение простейших типов источников гравитационного или магнитного поля  ОБОЗНАЧЕНИЯ и метод Ньютона с фокусирующей регуляризацией. В данном программном пакете для решения прямых задач магниторазведки используется метод на основе теоремы Стокса. В этом алгоритме интегрируется формула потенциала магнитного поля малого элемента (диполя) по всей линии контура тела [Каминский, 2010]. Глава 3. Проведение магнитной съёмки на археологическом памятнике Ахан. Анализ и интерпретация полученных данных.3.1. Аппаратура и методика магнитной съёмкиАппаратура При проведении съемки и для регистрации вариации магнитного поля, использовались два одинаковых прибора МВ-07М(рис. 3.1.1.). Характеристики протонной магнитовариационной модульной станции МВ-07М приведены в таблице 1.  Рис. 3.1.1. Магнитовариационная модульная станция МВ-07М. Методика проведения работ Первоначально намечается направление профилей, по которым будет выполняться наземная магнитная съёмка. На участке выполнялись измерения модуля вектора магнитной индукции по сетке 1х1м. Прокладывался базовая линия и параллельно ему на другом конце участка пролегал вспомогательный линяя. Будущие профили прокладывались перпендикулярно этим линиям, с помощью шнура с метками через один метр, вдоль которого и происходило продвижение оператора с магнитометром. Далее направляющий шнур перекладывался на следующий профиль, и так с шагом профилей 1 метр выполнялась площадная съемка. Оператор выполнял измерения при высоте датчика над поверхностью Земли около 0,3-0,35 м. Интервал между измерениями составлял 5 секунд. Из-за неровности границ исследуемого участка некоторые профили имели разную длину. Измерения на всех профилях всегда осуществлялись от базовой линии. По данным полученным в результате проведения магнитной площадной съемки построена карта аномального магнитного поля (рис. 3.1.2).
Таблица 1.Технические характеристики магнитометра МВ- 07M.  Рис. 3.1.2. Карта аномального магнитного поля. Учет геомагнитных вариаций В районе работ устанавливалась магнитовариационная станция, работающая в дни проведения съемок. Станция имеет интервал между измерениями 5 секунд. Это позволяло исключать вариации магнитного поля из результатов измерения, полученных в ходе магнитной съемки. Из-за специфики археологических работ необходимо было достоверно определить слабые магнитные аномалии, источником которых являлись интересующие нас погребенные археологические объекты. Учет магнитных вариаций позволял удалить вариации магнитного поля из результатов измерения, полученных в ходе магнитной съемки. Данная методика позволяет достичь точности выделения магнитных аномалий около 0,1-0,2 нТл. Регистрация вариаций проводилась магнитометром МВ-07М, устанавливалась в 35 м к югу от границы участка проведения магнитной съемки. Так же над раскопом 1 была проведена разновысотная магнитная съемка с сеткой 0,5х0,5 м. Всего проложено 6 профилей на высотах 0,3 м и 1 м над земной поверхностью с целью уточнить структуру погребенного объекта и выявить глубину нижней кромки.
Рис. 3.1.4. Расположение профилей разновысотной наземной магнитной съёмки работ на раскопе 1. 3.2. Анализ и интерпретация аномального магнитного поляПлощадь магнитной съемки составила 1205 м2 . В ходе проведения работ были обнаружены свежие раскопы, связанные с извлечением местным населением терракоты. Эти нарушения целостности памятника должны быть учтены. Анализ полученных карт аномального магнитного поля (Рис 3.2.1) а также информация по раскопу 1, позволили сделать следующие выводы: - магнитная восприимчивость обожженной глины (Терракоты), на порядок выше чем у вмещающих пород, дает положительную аномалию достигающие значений 100нТл, что позволяет четко проследить структуру памятника; - отрицательные аномалии до -80 нТл совпадают по расположению с обнаруженной кладкой камней. На карте четко просматриваются три основные структуры: линейная в центральной части, прямоугольная в северной части участка съемки и П-образная в восточной части участка. Прямоугольная и П-образная структуры хорошо прослеживается по отрицательным аномалиям, источником которых является каменная кладка. П-образная структура имеет размеры около 21×15 м, прямоугольная - около14×11 м. Можно предположить, что это остатки строений. Р Нас интересует структура объектов, а именно глубина залегания нижней кромки, поэтому по профилям разновысотной съемки 3- 5 была проведена интерпретацию магнитных данных с подбором тела такой магнитной восприимчивости и формы, аномалия от которого оптимально бы соответствовала зарегистрированной магнитной аномалии. Данные, полученные в ходе раскопа, также учитывались для уточнения структуры объекта. Для предварительной интерпретации магнитных данных использовалась программа ZondGM2D. В результате интерпретации данных разновысотной магнитной съёмки получилась модель аномальных тел (рис 3.2.2.). Магнитная восприимчивость тел получилась равной 7.5 х 10-3 ед. СИ, вмещающей среды 0.7 х 10-3 ед. СИ что совпадает со средними значениями магнитной восприимчивости объектов слагающих археологический памятник Ахан-1.  Моделированное поле Профиль 4 700 aT,nTl 600 500 Р Не стоит забывать, что данный результат необходим только как промежуточное звено, необходимое для прикидки реальной структуры объектов. 3.3. 3D магнитная модель археологического объекта Анан-1.Используя данные об объекте полученные из 2D модели и априорную информацию по раскопу № 1, была построена 3D модель объекта исследования. В дальнейшем рассчитано магнитное поле от полученной 3D модели на разных высотах: 0,3 м, 1 м, 1,6 м от земной поверхности. Решения прямых задач выполнялось с использованием программного пакета ZondMAG 3D. Эти поля сравнивались с данными полученными в ходе детальной магнитной съемки, для уточнения структуры объекта и глубины нижней кромки. Далее была выполнена 3D интерпретация данных разновысотной магнитной разведки над раскопом (рис 3.2.3.). Рис.3.3.1. Интерпретация разновысотной части магнитной аномалии над археологическим памятником Ахан-1, а) высота датчика над земной поверхностью 0,3, б)0,3 и 1, в) 1 и 1,6. Анализируя полученный результат можно сделать вывод, что инверсия с использованием разновысотных данных дает более точные параметры нижней кромки. Структурные параметры объекта полученные при инверсии по высоте 0,3 м значительно лучше восстанавливаются, но инверсия с использованием данных с высот 1 м, 1,6 м, отбивает нижнюю границу точнее (таблица 3.2.1). Таблица 3.3.1. Параметры тел, полученные при инверсии значений ΔTa на разных высотах. С учетом полученных данных о структуре погребенного памятника Ахан-1, была проведена 3D интерполяция данных взятых над П-образной структурой. Анализируя полученную 3D модель (рис. 3.3.2) можем заметить, что глубина нижней кромки стенок сложенных терракотой 2,2-2,5м, но под интенсивными положительными аномалиями глубина нижней кромки у погребенного объекта доходит до 3,2 м. Это связано с тем, что ярко выраженные пики магнитного поля вызваны возможно несущими колонами, или более массивными по сравнению с стенами конструкциями. Между соседними стенами расстояние 0,7-1,2 м. Прослеживается структура предполагаемого водотока глубина залегания верхней кромки 0,5м, нижняя 1,3, нужно заметить что объект водоток равномерно погружается с увеличением номера профиля, сохраняя мощность. Рис.3.3.1. Результаты 3D инверсии для П-образной структуры для профилей 1-5. ВыводыОпределены методические подходы к решению обратной задачи магниторазведки для погребенных археологических объектов, а в частности для археологического памятника Ахан-1. В результате анализа и интерпритации аномального магнитного поля над археологическим памятником Ахан-1 определена вероятная структура отдельных частей памятника Ахан-1 под земной поверхностью. Список литературы:Каминский А. Е. Мануал по использованию программа двумерной интерпретации данных магниторазведки и гравиразведки ZONDGM2D. Санкт-Петербург: 2010 г. – 83 с. Логачев А. А., Захаров В. П. Магниторазведка. 5-е изд., перераб. и доп. // Ленинград, издательство «Недра», 1979 г. – 351 с. Магниторазведка: Справочник геофизика // Под ред. В. Е. Никитского, Ю. С. Глебовского. – 2-е изд., перераб. и доп. - Москва, издательство «Недра» 1990 г. – 470 с.: ил. Молодин В. И., Панцингер Г., Фассбиндер Й., Манштейн А. К., Дядьков П.Г.. Чича-городище переходного от бронзы к железу времени в барабинской лесостепи //Издательство института археологии и Этнографии СО РАН. Новосибирск 2001. –166 с. Смекалова Т. Н., Восс О., Мельников А. В.. Магнитная разведка в Археологии. 12 лет применения Оверхаузеровского градиентометра GSM-19WG.// Научный редактор: Б.В. Беван. Санкт-Петербург: 2007 г. – 75 с. Эпов М. И., Чемякина М. И., Манштеин А.К., Дядьков П.Г., Парцингер Г., Молодин В.И., Балков Е.В.. Геофизические исследования городища Чича-1 в 2000 году // Проблемы археологии, этнографии, антропологии Сибири и сопредельных территорий (Материалы Годовой юбилейной сессии Института археологии и этнографии СО РАН. Декабрь 2000г.). – Новосибирск: Изд-во Ин-та археологии и этнографии СО РАН, 2000. –T.IV. – С. 447-456. Weymouth J.W. Geophysical methods in archaeological sites surveying. In: Advances in Archaeological Methods and Theory. M.B. Schiffer (Ed.) Academic Press. Harcourt Brace Jovanovich, Publishers. Orlando, San Diego, New York, Austin, London, Montreal, Sydney, Tokyo, Toronto. 1986, р. 311-395. Heimmer, Don H. and Steven L. De Vore.New-Surface, high resolution geophysical methods for cultural resource management and archaeological investigations.Denver, CO: U.S. Dept. of the Interior, 1995. р. 12. Becker H., Fassbinder J.W.E. Magnetometry of a Scythian Settelment in Sibiria near Cican in the Baraba steppe // Archaeological Prospection. –Germany, Munich, 1993. –Vol.31. –p. 168-172. |
