Неинвазивные геофизические методы в археологии.

Введение

Неинвазивные методы физического зондирования, используемые для археологической визуализации или картографирования.

В археологии геофизическая съемка представляет собой наземные методы физического зондирования, применяемые для археологической визуализации или картографирования. Дистанционное зондирование и морские исследования также используются в археологии, но обычно рассматриваются как отдельные дисциплины. Другие термины, такие как "геофизическая разведка" и "археологическая геофизика", в основном являются синонимами.

Обзор

Геофизические исследования используются для создания карт подповерхностных археологических объектов. Объекты – это неподвижная часть археологического контекста, будь то сохранившиеся сооружения или следы человеческой деятельности, зафиксированные в почве. Геофизические приборы могут обнаруживать погребенные объекты, когда их физические свойства заметно отличаются от окружающих. В некоторых случаях могут быть обнаружены отдельные артефакты, особенно металлические. Данные, собранные по систематической схеме, формируют набор, который можно представить в виде изображений-карт. Результаты исследований могут использоваться для планирования раскопок и предоставления археологам информации о структуре нераскопанных участков. В отличие от других археологических методов, геофизические исследования не являются инвазивными и не разрушают объекты. По этой причине они часто применяются, когда целью является сохранение (а не раскопки), а также для предотвращения повреждения культурно значимых мест, таких как кладбища. Хотя геофизические исследования применялись и ранее с переменным успехом, при правильном подходе хорошие результаты весьма вероятны. Они наиболее эффективны при использовании в рамках тщательно спланированного исследовательского проекта, где интерпретации могут быть проверены и уточнены. Как планирование, так и интерпретация требуют знания археологического контекста и способов его проявления в геофизических данных. Для достижения успеха необходимы подходящие приборы, план обследования и обработка данных, которые должны быть адаптированы к уникальной геологии и археологическому контексту каждого участка. В полевых условиях критически важен контроль качества данных и пространственной точности.

Методы

Геофизические методы, используемые в археологии, в значительной степени адаптированы от тех, что применяются в минеральной разведке, инженерных изысканиях и геологии. Однако археологическое картирование представляет собой уникальные задачи, что стимулировало отдельную разработку методов и оборудования. В целом, геологические исследования направлены на обнаружение относительно крупных структур, часто на максимально возможной глубине. В отличие от этого, большинство археологических объектов находятся относительно близко к поверхности, как правило, в пределах верхнего метра грунта. Приборы часто настраиваются для ограничения глубины зондирования, чтобы лучше разрешать поверхностные явления, представляющие интерес. Другая задача – обнаружение тонких и часто очень мелких объектов – которые могут быть столь же неуловимыми, как органические пятна от сгнивших деревянных столбов – и отличать их от камней, корней и другого естественного "шума". Для этого требуется не только чувствительность, но и высокая плотность точек данных, обычно не менее одного, а иногда и десятки измерений на квадратный метр. Наиболее часто в археологии используются магнитометры, измерители электрического сопротивления, георадары (GPR) и электромагнитные (EM) измерители проводимости. Эти методы позволяют исследовать различные типы археологических объектов, способны проводить высокоплотные обследования больших площадей и работать в широком диапазоне условий. Хотя обычные металлоискатели являются геофизическими датчиками, они не способны создавать изображения высокого разрешения. Другие устоявшиеся и новые технологии также находят применение в археологических исследованиях. Измерители электрического сопротивления можно рассматривать как аналогичные омметрам, используемым для проверки электрических цепей. В большинстве систем металлические зонды вводятся в грунт для получения показаний местного электрического сопротивления. Используются различные конфигурации зондов, большинство из которых имеют четыре зонда, часто установленные на жесткой раме. Также разработаны емкостные системы, не требующие прямого физического контакта с почвой. Археологические объекты могут быть картированы, когда они имеют более высокое или более низкое сопротивление, чем окружающая среда. Каменный фундамент может препятствовать прохождению электричества, в то время как органические отложения в кургане могут проводить электричество легче, чем окружающая почва. Хотя обычно в археологии методы сопротивления используются для создания планов, они также обладают ограниченной способностью определять глубину залегания и создавать вертикальные профили (см. Электрическую томографию сопротивления). Электромагнитные (EM) измерители проводимости имеют характеристики, сопоставимые с измерителями сопротивления (проводимость является обратной величиной сопротивления). Подземные археологические объекты обнаруживаются путем создания магнитного поля в земле путем подачи электрического тока известной частоты и величины через передающую катушку. Токи индуцируют вторичный ток в подземных проводниках, который улавливается приемной катушкой. Изменения проводимости в земле могут указывать на скрытые объекты. Хотя EM-измерители проводимости, как правило, менее чувствительны к тем же явлениям, что и 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. Другое преимущество – относительно более высокая скорость работы по сравнению с измерителями сопротивления. В отличие от измерителей 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 EM-измерители 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 силы магнитного поля или два (иногда больше) пространственно разделенных датчика для измерения градиента магнитного поля (разницы между датчиками). В большинстве археологических приложений предпочтительна последняя конфигурация (градиентная), поскольку она обеспечивает лучшее разрешение мелких, близких к поверхности объектов. Магнитометры также могут использовать различные типы датчиков. Протонные прецессионные магнитометры в значительной степени уступили место более быстрым и чувствительным магнитометрам на основе эффекта Холла и цезия. Каждый вид материала обладает уникальными магнитными свойствами, даже те, которые мы не считаем "магнитными". Различные материалы под землей могут вызывать локальные возмущения в магнитном поле Земли, которые можно обнаружить с помощью чувствительных магнитометров. Магнитометры очень сильно реагируют на железо и сталь, кирпич, выжженную почву и многие типы горных пород, и археологические объекты, состоящие из этих материалов, легко обнаруживаются. Если эти сильномагнитные материалы отсутствуют, часто можно обнаружить очень слабые аномалии, вызванные нарушенной почвой или разложившимися органическими материалами. Основным ограничением магнитометрической съемки является то, что тонкие объекты, представляющие интерес, могут быть замаскированы сильномагнитными геологическими или современными материалами. Георадар (GPR) – пожалуй, наиболее известный из этих методов (хотя и не самый широко используемый в археологии). Принцип действия радара знаком большинству людей. В данном случае радиолокационный сигнал – электромагнитный импульс – направляется в землю. Подземные объекты и слои (стратиграфия) вызывают отражения, которые улавливаются приемником. Время прохождения отраженного сигнала указывает на глубину. Данные могут быть представлены в виде профилей или планов, выделяющих определенные глубины. GPR может быть мощным инструментом в благоприятных условиях (однородные песчаные почвы идеальны). Он уникален как своей способностью обнаруживать некоторые небольшие объекты на относительно большой глубине, так и способностью определять глубину залегания аномалий. Основным недостатком GPR является то, что он сильно ограничен неблагоприятными условиями. Высокая электропроводность мелкозернистых отложений (глин и илов) вызывает потери мощности сигнала; каменистые или неоднородные отложения рассеивают радиолокационный сигнал. Металлоискатели используют электромагнитную индукцию для обнаружения металла. Хотя другие типы приборов (в частности, магнитометры и электромагнитные измерители проводимости) обладают некоторой чувствительностью к металлу, специализированные металлоискатели гораздо эффективнее. Металлоискатели доступны в различных конфигурациях, различающихся по сложности и чувствительности. Большинство из них обладают определенной способностью различать различные типы металлических целей. Широко используемые археологами портативные металлоискатели обычно не создают журнал 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. Злоупотребление этими приборами на археологических объектах кладоискателями и коллекционерами артефактов является серьезной проблемой в сохранении археологического наследия, однако появляются совместные усилия между опытными любителями и академическими группами. Хотя и не так часто используются в археологии, доступны сложные металлоискатели с гораздо большей чувствительностью, чем портативные модели. Эти приборы способны вести журнал данных и выполнять сложную дискриминацию целей. Их можно устанавливать на тележки с колесами для сбора данных при съемке. Лидар (LIght Detection and Ranging) – это технология оптического дистанционного зондирования, которая может измерять расстояние до цели, освещая ее светом, часто используя импульсы от лазера. Лидар имеет множество применений в археологии, включая помощь в планировании полевых кампаний, картирование объектов под пологом леса и предоставление обзора широких, непрерывных объектов, которые могут быть неразличимы на земле. Лидар может...

Geophysical methods used in archaeology are largely adapted from those used in mineral exploration, engineering, and geology. Archaeological mapping presents unique challenges, however, which have spurred a separate development of methods and equipment. In general, geological applications are concerned with detecting relatively large structures, often as deeply as possible. In contrast, most archaeological sites are relatively near the surface, often within the top meter of earth. Instruments are often configured to limit the depth of response to better resolve the near surface phenomena that are likely to be of interest. Another challenge is to detect subtle and often very small features – which may be as ephemeral as organic staining from decayed wooden posts and distinguish them from rocks, roots, and other natural "clutter". To accomplish this requires not only sensitivity, but also high density of data points, usually at least one and sometimes dozens of readings per square meter. Most commonly applied to archaeology are magnetometers, electrical resistance meters, ground penetrating radar (GPR) and electromagnetic (EM) conductivity meters. These methods can resolve many types of archaeological features, are capable of high sample density surveys of very large areas, and of operating under a wide range of conditions. While common metal detectors are geophysical sensors, they are not capable of generating high resolution imagery. Other established and emerging technologies are also finding use in archaeological applications. Electrical resistance meters can be thought of as similar to the Ohmmeters used to test electrical circuits. In most systems, metal probes are inserted into the ground to obtain a reading of the local electrical resistance. A variety of probe configurations are used, most having four probes, often mounted on a rigid frame. Capacitively coupled systems that do not require direct physical contact with the soil have also been developed. Archaeological features can be mapped when they are of higher or lower resistivity than their surroundings. A stone foundation might impede the flow of electricity, while the organic deposits within a midden might conduct electricity more easily than surrounding soils. Although generally used in archaeology for planview mapping, resistance methods also have a limited ability to discriminate depth and create vertical profiles (see Electrical resistivity tomography). Electromagnetic (EM) conductivity instruments have a response that is comparable to that of resistance meters (conductivity is the inverse of resistance). Underground archaeological features are detected by creating a magnetic field underground by applying an electric current that has a known frequency and magnitude through a sending coil. The currents spur a secondary current in underground conductors that is picked up by a receiving coil. Changes in the underground conductivity can indicate buried features. Although EM conductivity instruments are generally less sensitive than resistance meters to the same phenomena, they do have a number of unique properties. One advantage is that they do not require direct contact with the ground, and can be used in conditions unfavorable to resistance meters. Another advantage is relatively greater speed than resistance instruments. Unlike resistance instruments, conductivity meters respond strongly to metal. This can be a disadvantage when the metal is extraneous to the archaeological record, but can be useful when the metal is of archaeological interest. Some EM conductivity instruments are also capable of measuring magnetic susceptibility, a property that is becoming increasingly important in archaeological studies. Magnetometers used in geophysical survey may use a single sensor to measure the total magnetic field strength, or may use two (sometimes more) spatially separated sensors to measure the gradient of the magnetic field (the difference between the sensors). In most archaeological applications the latter (gradiometer) configuration is preferred because it provides better resolution of small, near surface phenomena. Magnetometers may also use a variety of different sensor types. Proton precession magnetometers have largely been superseded by faster and more sensitive fluxgate and caesium instruments. Every kind of material has unique magnetic properties, even those that we do not think of as being "magnetic". Different materials below the ground can cause local disturbances in the Earth's magnetic field that are detectable with sensitive magnetometers. Magnetometers react very strongly to iron and steel, brick, burned soil, and many types of rock, and archaeological features composed of these materials are very detectable. Where these highly magnetic materials do not occur, it is often possible to detect very subtle anomalies caused by disturbed soils or decayed organic materials. The chief limitation of magnetometer survey is that subtle features of interest may be obscured by highly magnetic geologic or modern materials. Ground penetrating radar (GPR) is perhaps the best known of these methods (although it is not the most widely applied in archaeology). The concept of radar is familiar to most people. In this instance, the radar signal – an electromagnetic pulse – is directed into the ground. Subsurface objects and stratigraphy (layering) will cause reflections that are picked up by a receiver. The travel time of the reflected signal indicates the depth. Data may be plotted as profiles, or as planview maps isolating specific depths. GPR can be a powerful tool in favorable conditions (uniform sandy soils are ideal). It is unique both in its ability to detect some spatially small objects at relatively great depths and in its ability to distinguish the depth of anomaly sources. The principal disadvantage of GPR is that it is severely limited by less than ideal conditions. The high electrical conductivity of fine grained sediments (clays and silts) causes conductive losses of signal strength; rocky or heterogeneous sediments scatter the GPR signal. Metal detectors use electromagnetic induction to detect metal. Although other types of instruments (notably magnetometers and electromagnetic conductivity meters) have some sensitivity to metal, specialized metal detectors are much more effective. Metal detectors are available in different configurations, varying in sophistication and sensitivity. Most have some capacity to discriminate between different types of metallic targets. Common hand held metal detectors are widely used by archaeologists. Most of these instruments do not create a logged data set and thus cannot be used for directly creating maps, but used in a systematic manner they can be a useful tool in archaeological research. Sometimes external data loggers are attached to such detectors which collect information about detected materials and corresponding gps coordinates for further processing. Misuse of these instruments on archaeological sites by treasure hunters and artifact collectors has been a serious problem in archaeological preservation however cooperative efforts between skilled amateur operators and academic teams are emerging in the field. Although not as commonly used in archaeology, sophisticated metal detectors are available having much greater sensitivity than hand held models. These instruments are capable of data logging and sophisticated target discrimination. They can be mounted on wheeled carts for survey data collection. Lidar (LIght raDAR) is an optical remote sensing technology that can measure the distance to a target by illuminating the target with light, often using pulses from a laser. Lidar has many applications in the field of archaeology including aiding in the planning of field campaigns, mapping features beneath forest canopy, and providing an overview of broad, continuous features that may be indistinguishable on the ground. Lidar can also provide archaeologists with the ability to create high resolution digital elevation models (DEMs) of archaeological sites that can reveal micro topography that are otherwise hidden by vegetation. Lidar derived products can be easily integrated into a Geographic Information System (GIS) for analysis and interpretation. Data collection is broadly similar regardless of the particular sensing instrument. Survey usually involves walking with the instrument along closely spaced parallel traverses, taking readings at regular intervals. In most cases, the area to be surveyed is staked into a series of square or rectangular survey "grids" (terminology can vary). With the corners of the grids as known reference points, the instrument operator uses tapes or marked ropes as a guide when collecting data. In this way, positioning error can be kept to within a few centimeters for high resolution mapping. Survey systems with integrated global positioning systems (GPS) have been developed, but under field conditions, currently available systems lack sufficient precision for high resolution archaeological mapping. Geophysical instruments (notably metal detectors) may also used for less formally "scanning" areas of interest. Data processing and imaging convert raw numeric data into interpretable maps. Data processing usually involves the removal of statistical outliers and noise, and interpolation of data points. Statistical filters may be designed to enhance features of interest (based on size, strength, orientation, or other criteria), or suppress obscuring modern or natural phenomena. Inverse modeling of archaeological features from observed data is becoming increasingly important. Processed data are typically rendered as images, as contour maps, or in false relief. When geophysical data are rendered graphically, the interpreter can more intuitively recognize cultural and natural patterns and visualize the physical phenomena causing the detected anomalies.

Разработка

Использование геофизических исследований широко распространено в европейской археологии, особенно в Великобритании, где они были впервые применены в 1940-х и 1950-х годах. Всё чаще они используются и в других частях мира, с возрастающим успехом, поскольку методы адаптируются к специфическим региональным условиям. В ранних исследованиях измерения фиксировались по отдельности и наносились на карту вручную. Хотя иногда удавалось получить полезные результаты, практическое применение ограничивалось огромным объёмом необходимой работы. Обработка данных была минимальной, а плотность выборки – низкой. Несмотря на улучшение чувствительности датчиков и разработку новых методов, наиболее важными достижениями стали автоматизированная запись данных и компьютеры для обработки больших объёмов информации. Непрерывное совершенствование характеристик оборудования и автоматизация позволили быстро проводить обследование больших территорий. Быстрый сбор данных также сделал возможным достижение высокой плотности выборки, необходимой для выявления небольших или едва заметных объектов. Усовершенствования в программном обеспечении для обработки и визуализации данных позволяют обнаруживать, отображать и интерпретировать тонкие археологические структуры в геофизических данных.