Введение к работе
-3-
Актуальность работы. В настоящее время успешно развивается новая отрасль геофизики, ориентированная на изучение скрытых объектов историко-культурного наследия, к которым относятся археологические предметы и комплексы, содержащиеся в культурных напластованиях, умышленно спрятанные объекты, подземные коммуникации и искусственные пустоты (Станюкович, 1994). Большие потенциальные возможности для научного поиска, открывающиеся с помощью естественно-научных методов при проведении полевых и лабораторных археологических работ, были поняты довольно давно (Колчин,Монгайт,1960). Следствием сложившегося по этой причине многолетнего сотрудничества явилось постепенное расширение областей взаимодействия и формирование археологической геофизики, которую можно расценивать в качестве отрасли инженерной геофизики (Огильви,1987). Геофизические исследования особенно необходимы для экстренного поиска археологических объектов на застраиваемых площадях, когда в результате строительных работ возможна гибель уникальных археологических памятников. Геофизические методы исследований, в отличие от археологических, являются неразрушающими, что позволяет привлекать геофизику для создания кадастров археологических памятников и карт охранных историко-археологических зон. Геофизические материалы могут быть включены в геоинформационные системы, в качестве основного источника информации о скрытых объектах материальной культуры. Сочетание результатов геофизических исследований всего археологического памятника с раскопками небольшой его части позволяет законсервировать культурный слой для будущих более совершенных методов археологических исследований. Раскопки памятника невозможно повторить, а получить дополнительную информацию из геофизических материалов, удается по мере совершенствования интерпретационной базы. Методы геофизики обеспечивают
-4-обследование площадей, археологические раскопки которых практически невозможны. Такие условия часто наблюдаются в городах, где под современными постройками скрываются объекты, обладающие большой исторической ценностью. Труднодоступными являются также археологические памятники, залегающие ниже уровня грунтовых вод. Без привлечения геофизики практически невозможно изучить античные агротехнические комплексы, занимающие обширные территории. В российский закон об охране памятников истории и культуры целесообразно, по примеру законодательства Италии, внести пункт о юридической значимости геофизических материалов при решении спорных вопросов землепользования.
Практическая реализация потенциальных возможностей геофизических методов в полевых археологических исследованиях определяется информацией об объектах, которая может быть извлечена из геофизических данных. Количество и качество извлекаемой информации определяются уровнем развития компьютерных технологий интерпретации геофизических полей. Требования к качеству интерпретационных моделей в археологии особенно высоки, так как они сверяются с данными раскопок, т.е точными сведениями об объектах. Основными методами современной археологической геофизики являются электро- и магниторазведка поэтому объектом археологической интерпретации являются в основном потенциальные геофизические поля. Существующая практика предусматривает визуальный анализ трехмерных или растровых карт геофизических полей и выработку качественных заключений об объектах археологических памятников (Bernstein, 1976; Scollar,1978; Ненов,1990). Такой подход не обеспечивает в полной мере решение современных археологических задач, постановка которых предусматривает геофизические исследования в условиях интенсивных полей-помех разнообразной природы; распознавание типов и построение цифровых моделей археологических объектов по геофизическим
-5-данным; археомагнитную датировку объектов; изучение связи археологических комплексов с палеогеоморфологией изучаемого района. Для достижения этих целей необходима разработка общих принципов и алгоритмической базы для моделирования археологических объектов, информационного анализа данных и решения обратных задач археологической геофизики.
Форма, структура и размещение объектов полевой археологии характеризуются рядом особенностей. Наряду с простыми объектами, которые близки к телам правильной геометрической формы, иногда обладают элементами симметрии и пространственной периодичностью, распространены объекты со сложной планировкой и внутренней структурой. Резко неоднородная магнитная структура наблюдается у остатков построек, выложенных из кирпича и эффузивных пород (Смекалова,1985; Bevan,1994). Значительное рассеяние намагниченности образцов, отобранных из перефирийных и центральных частей древних керамикообжигательных печей Англии и Крита, привело исследователей к выводу о несостоятельности дальнейших археомагнитных исследований вплоть до выяснения причин изменения намагниченности от образца к образцу и методов устранения возникающих в связи с этим ошибок (Barbetti,1980, Tarling, 1983). Для создания технологий моделирования и интерпретации геофизических полей таких специфических объектов требуется адаптация известных и разработка оригинальных физико-математических интерпретационных моделей.
Цель и задачи работы: разработка методологии и компьютеризованных технологий моделирования, информационного анализа и интерпретации геофизических полей скрытых археологических памятников и комплексов.
Основные задачи исследований включали: анализ особенностей изучения археологических объектов геофизическими методами и обоснование принципов построения
типовых физико-археолого-геологических и физико-математических моделей;
адаптацию существующих и разработку оригинальных алгоритмов решения прямых физико-математических задач геофизики для широкого класса археологических объектов;
исследование и описание базовых моделей вероятностно-статистического анализа геофизических полей археологических памятников;
разработку способов обнаружения и выделения геофизических эффектов археологических объектов с учетом специфики формы и внутренней структуры объектов;
обоснование алгоритмов определения направления вектора индукции древнего геомагнитного поля по данным магнитометрии объектов археомагнитологии;
создание программного обеспечения компьютеризованных систем, обеспечивающих моделирование и интерпретацию геофизических полей археологических объектов;
опробование выполненных разработок на практике с целью оценки их результативности в различных условиях.
Научная новизна. В процессе формирования методологии
интерпретации комплексных археолого-геофизических
материалов, создания элементов компьютеризованных технологий для моделирования и анализа геофизических полей археологических объектов предложены, обоснованы и разработаны:
-
Принципы физико-геологического и физико-математического моделирования типовых археологических объектов на основе детерминистского, статистического и стохастическогс приближений.
-
Математический аппарат решения прямых задач геофизики е стохастической постановке для археологических объектов ее случайно-неоднородной магнитной структурой.
-
Физико-математические модели для изучения влияния эффекта размагничивания на рассеяние векторов намагниченности объектов археомагнитологии.
-
Алгоритмы оценки элементов вектора индукции древнего геомагнитного поля по данным магнитометрических исследований объектов с высокой термоостаточной намагниченностью и методика археомагнитной датировки этих объектов по магнитному полю ДТ.
-
Способ определения магнитных свойств образцов археологических объектов по данным квантовой магнитометрии.
-
Принципы и оригинальные алгоритмы локализации и выделения геофизических полей археологических объектов с помощью адаптивных и оптимальных фильтров, синтезирумых с учетом особенностей формы и структуры объектов.
-
Формализованные процедуры построения карт археологических объектов на основе вероятностно-статистических методов.
Практическая ценность работы. Обосновываемые в работе
методология, теория, алгоритмические решения и практические
приложения физико-математического моделирования,
информационного анализа и интерпретации геофизических полей реализованы в производственных и научных археологических организациях. Выполненные разработки позволили:
разработать программно-математическое обеспечение для построения базовых физико-геологических и физико-математических моделей типовых археологических объектов;
создать вероятностно-статистические модели геофизических полей археологических комплексов и методологию оптимальной и адаптивной фильтрации для контрастного выделения аномалий археологических объектов различного типа;
в разработать элементы компьютеризованной системы для обнаружения, выделения и классификации геофизических аномалий изометричных археологических объектов в условиях интенсивных помех:
на основе стохастического моделирования предложить принципы, алгоритмы и методику картирования фундаментов храмовых комплексов, возведенных из кирпича;
оценить на практике возможность оценки направления вектора индукции древнего геомагнитного поля по данным магнитометрии для архемагнитной датировки средневековых керамикообжигательных печей;
создать компьютеризованную методику определения магнитных свойств образцов по данным магнитометрии;
. автоматизировать картирование античных агротехнических комплексов с помощью компьютерной системы анализа данных электропрофилирования;
на основании геолого-археологических моделей,
сформированных по геофизическим данным, разработать
методику локализации погребальных камер некрополя Херсонеса.
Реализация результатов работы. Разработанные принципы, методики и программно-математическое обеспечение моделирования и интерпретации геофизических полей археологических памятников и комплексов внедрены в лаборатории Археометрии Болгарской Академии наук, Фонде инж. К.М.Леричи при Миланском политехническом институте (Италия), отделениях геофизики Патрасского и Фессалоникского университетов (Греция), а также используются в экспедиционной практике заповедника "Херсонес Таврический", Центра археологических исследований г.Москвы, Института материальной культуры РАН, Архитектурно-археологической экспедиции Государственного Эрмитажа, проектах ЮНЕСКО.
Результаты исследований используются автором и его коллегами в лекциях и практических занятиях при обучении студентов-геофизиков СПГГИ по курсам: "Теоретические основы обработки и интерпретации геофизических данных", "Магниторазведка", "Теоретические основы комплексирования геофизических методов", "Автоматизированные системы обработки и интерпретации геофизических данных".
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы рассматривались и докладывались на Всероссийских и Международных конференциях и симпозиумах, обсуждались на научных семинарах МГУ, института материальной культуры, кафедры геофизических и геохимических методов СПГГИ, Болгарской Академии Наук, Фонда инж. К.М.Леричи при Миланском политехническом институте, Фессалоникского университета, Европейского геофизического общества, Европейского научного общества PACT, семинарах "Методы геологической интерпретации потенциальных геофизических полей" им.Д.Г.Успенского.
Исходные материалы и личный вклад в решение проблемы. Диссертация базируется на исследованиях, проводившихся автором в 1972-1996г. по госбюджетной и хоздоговорной тематике в сотрудничестве с коллегами по кафедре ГФХМР СПГГИ и при участии в исследованиях специалистов ИЗМИРАН РАН, института Метрологии им.Д.В.Менделеева, ВИРГ-"Рудгеофизика", завода "Геологоразведка", института материальной культуры РАН, государственного Эрмитажа, Болгарской Академии наук, МГУ им. М.В.Ломоносова, Московской государственной геологоразведочной академии, Патрасского университета, Фессалоникского университета, Фонде инж. К.М.Леричи при Миланском политехническом институте, ПГО"Севзапгеология'\
Теоретические исследования, результаты которых изложены в
диссертации, алгоритмизация задач, математическое
моделирование и обработка экспериментальной информации
выполнены лично автором и базируются на полевых материалах,
полученных им самим или под его непосредственным
руководством. Базовое программное обеспечение и вычисления
на компьютере выполнены лично автором или студентами и
аспирантами геологоразведочного факультета СПГГИ.
Компьютерные системы, разработанные К.М.Ермохиным,
А.В.Петровым, О.И.Погаревой, М.М.Штокаленко.
-10-использовались при выполнении исследований по согласованию с авторами.
Достоверность и обоснованность. Основные научные
результаты основаны на положениях теории вероятностей,
математической статистики и математической физики,
проанализированы и проверены на математических тестовых
моделях, имитирующих основные черты формы и строения
реальных археологических объектов. Наиболее ответственные
решения, такие как алгоритмы решения прямых задач в
детерминистской и стохастической постановках, алгоритмы
фильтрации, решения обратных физико-математических задач в
линейной и нелинейной постановках, проверены на тестовых
математических моделях, созданных с помощью программ
"Фонда алгоритмов и программ " ВИРГ-"Рудгеофизика" и
Проблемной лаборатории СПГГИ, а также проверены в реальных
условиях на археологических памятниках Крыма, Москвы,
Ленинградской области, Пскова, Смоленска, Италии, Греции и
Лаоса. Результаты тестирования были оценены как
положительные. Программное обеспечение, написанное на
алгоритмическом языке ФОРТРАН-IV, доведено до стадии
научно-исследовательских программных средств и успешно
используется в СПГГИ, Патрасском университете,
Фессалоникском университете, Фонде К.М.Леричи Миланского
политехнического института. Полевые измерения выполнялись с
помощью геофизической аппаратуры, прошедшей
метрологическую аттестацию в институте Метрологии им. Д.В.Менделеева или на заводе "Геологоразведка".
Публикации. По теме исследований опубликовано 44 работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Текст изложен на 325 страницах и дополнен 136 рисунками, 9 таблицами. Список литературы включает 383 наименования, в том числе 193 работы на иностранных языках.