Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

ОЦЕНКА ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ МЕТОДА ГЕОРАДИОЛОКАЦИИ ПРИ ГЕОАРХЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Данильев С.М.

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», кафедра геофизических методов поисков и разведки месторождений полезных ископаемых (ГФХМР), Санкт-

Петербург

Аннотация

В данной работе отписываются результаты экспериментальных исследований на малом кургане в Омской области методом георадиолокации, выполненных в рамках «Полевой школы геоархеологических и палеоантропологических исследований». Привлечение современных геофизических технологий в археологию позволит локализовать археологический объект, сократить объемы раскопок и спроектировать участки для новых археологических работ.

The Summary

In this paper describe results experimental research on a small mound in the Omsk region by the GPR method, performed in the framework of the «archaeological Field school and the paleoanthropological research». Attraction of modern technologies in archaeology will allow to localize the archaeological site, to reduce the volume of excavation and design sites for new archaeological works.

Введение

В археологии, как и в любой науке, методы и методика исследований занимают главное место и постоянно совершенствуются. Развитие современной науки, и особенно, различных междисциплинарных исследований для получения археологического источника, совершенствование цифровых, компьютерных технологий и аппаратурной базы являются предпосылками для опробования современных геофизических технологий в различных отраслях науки [3]. В рамках «Полевой школы геоархеологических и палеоантропологических исследований» проведены экспериментальные исследования методом георадиолокации на малом средневековом кургане, на севере Омской области. Экспериментальные георадиолокационные исследования выполнены на территории раскопок соседствующих с малым курганов.

Методика работ

Важнейшим преимуществом метода георадиолокации является высокая пространственная разрешающая способность исследований, оперативность проведения полевых работ и возможность проводить исследования не деформируя поверхность наблюдений, что особенно важно для сохранности археологического объекта [1,4]. Полевые экспериментальные георадиолокационные исследования выполнены с помощью георадара “ОКО-2” методом непрерывного сканирования на центральных частотах зондирующих электромагнитных импульсов 400 МГц и 1700 МГц. Экспериментальный участок геофизических исследований представляет собой планшет 20 х 20 метров. Таким образом, геофизические профили отрабатывались по серии последовательных параллельных профилей с шагом 1 метр и количество профилей составляет 20 (Рис 1).

Рис. 1. Схема размещения геофизических профилей на малом кургане (а) и пример

132

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

отработки геофизического профиля с георадаром ОКО-2 с антенным блоком на частоте 400 МГц

Методика цифровой обработки данных георадарной съемки включает два этапа. На первом этапе выполняются процедуры кинематической обработки, а на втором – динамической обработки радарограмм.

Кинематическая обработка включает следующие процедуры:

1.Выделение регулярных полезных ЭМ волн и подавление помех методами цифровой

фильтрации.

2.Миграция волнового поля с целью восстановления точек дифракции, соответствующих локальным объектам и неоднородностям.

3.Трансформация георадарограмм в георадиолокационный разрез с помощью редактора

скоростей.

Процедуры динамической обработки включает следующие процедуры

1.Выявление возмущений волнового поля, связанных со сменой амплитуд, частотного состава и фазой нерегулярных полезных волн.

2.Построение энергограмм на основе определения пространственного распределения энергетических характеристик аномальных возмущений полезных волн.

Результаты

Анализ результатов кинематической обработки показал, что геологический разрез, вмещающий малый курган, является неблагоприятным для реализации всех потенциальных возможностей метода георадиолокации. Это вызвано тем, что первые 40-50 см представлены почвенно-растительным слоем, а далее залегает глинистый грунт, и на радарограммах наблюдается практически полное поглощение волнового электромагнитного (ЭМ) поля (Рис. 2).

Почвенно-растительный слой

Глинистый слой

Интервал поглощения ЭМ волн

Рис. 2. Пример экспериментальной радарограммы на малом Кургане

Результаты раскопок соседних курганов говорят о том, что интересующий археологический объект расположен как раз на кровле глинистого грунта. Поэтому принято решение о целесообразности проведения детального анализа динамических атрибутов волнового ЭМ поля. К динамическим атрибутам относятся:

•амплитуда электромагнитных волн;

•фаза электромагнитных волн;

•центральная частота спектра сигнала.

На полученных экспериментальных радарограммах в ходе анализа динамических атрибутов выделены локальные интервалы, характеризующиеся фазовыми сдвигами и приурочены к зоне контакта почвеннорастительного слоя с глинистым грунтом (Рис. 3).

133

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

Рис. 3. Фрагмент экспериментальной радарограммы с выделенными интервалами фазовых сдвигов

Моделирование волновых ЭМ полей для различных сред показывает, что в случае перехода электромагнитной волны из низко скоростной среды в высоко скоростную среду (например, песок-воздух) наблюдается эффект инверсии фазы волны, когда как при переходе из высоко скоростной среды в низко скоростную (например, песок-глина) эффект инверсии фазы отсутствует [2]. Таким образом, можно сделать предположение о неоднородности зоны контакта почвенно-растительного слоя с глинистым грунтом, что может соответствовать изучаемым археологическим объектам. Опираясь на сформулированное предположение, построена карта характеризующая распределение локальных интервалов фазовых сдвигов вдоль всего планшета геофизических исследований (Рис 4.). На построенной карте показано распределение интервалов фазовых сдвигов на планшете геофизической съемки. Исходя из характера их распределения и размеров они могут соответствовать искомым археологическим объектам (могильникам).

Рис. 4. Карта распределения локальных интервалов фазовых сдвигов вдоль планшета геофизических исследований

Выводы

Результаты экспериментальных георадиолокационных исследований малого кургана продемонстрировали высокую чувствительность метода георадиолокации к изменениям состава и состоянию исследуемой среды и применимость данного метода для оперативной и неразрушающей локализации интервалов, перспективных для выявления объектов, представляющих археологическую и культурную ценность. В зависимости от геологических условий изучаемой среды глубинность и чувствительность метода георадиолокации для решения задач археологии, может варьироваться. Так как археологическое направление в ряду задач метода георадиолокаци является довольно молодым появляется необходимость проведения многократных георадиолокационных исследований в различных геологических условиях, где обнаруживаются археологические объекты с целью подтверждения потенциальных возможностей метода георадиолокаци при решении задач археологии.

Список литературы

1.Владов М.Л., Старовойтов А.В. Введение в георадиолокацию / Учебное пособие. М.: Издательство МГУ, 2004. 153 с.

2.Данильев С.М. Обоснование методики георадиолокационных исследований зон деструкции инженерногеологических объектов: автореф. дис. канд. геол-мин. наук. - СПб., 2011. - 20 с.

3.Методика междисциплинарных археологических исследований: сб. науч. ст. и метод. рекомендаций / под ред. Л.В. Татауровой.-Омск: Издат. дом Наука, 2011.-132с.

3.Старовойтов А.В. Интерпретация георадиолокационных данных / Учебное пособие. М.: Издательство МГУ, 2008. 192 с.

134

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТ МЕТОДОМ МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ НА ПЕЧЕНГСКОЙ

СТРУКТУРЕ

Ермолин Е.Ю. 1, Печёнкин М.М. 1, Янкилевич А.А. 1, Яковлев А.С.1, Давыдкина Т.В. 1, Ингеров А.И. 2, Егоров А.С. 1, Жамалетдинов А.А. 3

1 Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург, ermolin_stud@list.ru 2 «PHOENIX GEOPHYSICS», Канада, Торонто, Онтарио, oingerov@phoenix-geophysics.com

3 Санкт Петербургский филиал ФГБУ науки Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН, г. Санкт-Петербург, abd.zham@mail.ru

Аннотация

Печенгская структура, расположенная в пределах Кольского полуострова, привлекает внимание геологов и геофизиков тем, что здесь пробурена Кольская сверхглубокая скважина (СГ-3). Несмотря на высокий уровень изученности региона остаётся много неясного как в деталях геологического строения, так и в гипотезах образования этой раннепротерозойской структуры. Ранее выполненные электроразведочные дают общее представление об особенностях геоэлектрического разреза района заложения СГ-3. Новая попытка пролить свет на этот вопрос была предпринята в июне 2012 года объединенной экспедицией, включающей специалистов из Национального Минерально-сырьевого университета «Горный» и Кольского научного центра. Был отработан профиль, пересекающий Печенгскую структуру в направлении с северо-востока (от места заложения СГ-3) на югозапад. Работы выполнялись методами АМТЗ и МТЗ и электропрофилирования. В данной работе представлена предварительная информация о результатах этих работ.

Summary

The Pechenga structure is located on the Kola peninsula. The structure is attracting attention geologists and geophysicists community due to it is the place of the Kola superdeep borehole. The area are studied in very using different geological and geophysical methods, but there are a lot of problems in details of geological construction and genesis of this Early-Proterozoic structure. Electromagnetic investigations provided some new details in the deep structure studying the area surrounding Kola superdeep borehole. The new attempt to study geological building of this area has been undertaken on June 2012. The complex expedition group was formed by Mining University and Kola Science Center specialists. The field work across Pechenga structure had been performed by magnetotelluric and electro resistivity methods.

Национального минерального университета «Горный» В.С. Литвиненко. Работы выполнялись за счёт внебюджетных средств Горного Университета в тесном содружестве с сотрудниками Кольского научного центра. Задачей исследований было: изучение глубинного геологического строения Печенгской структуры на глубину до 20 км в районе Кольской сверхглубокой скважины методами.

Геолого-структурная позиция профиля

Профиль АМТ (МТЗ) общей протяженностью 45 км пересекает Печенгскую структуру в направлении с северо-востока на юго-запад. В составе структуры традиционно выделяются Северо-

135

136

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

Рис. 3. Схема измерительной установки (а). Фотографии измерительной аппаратуры (б, в)

Первичная обработка полевых записей (временных рядов и табличных файлов) выполнялась в полевом лагере в вечернее время. Целью такой обработки являлся контроль качества полевых материалов. На рисунке 4 показаны результаты обработки для пикетов, расположенных в разных частях профиля.

Рис. 4. Результаты обработки: для пикета 38 (район заложения СГ-3) – слева; для пикета 24 (центральная часть профиля) - по центру; для пикета 14 (южная окраина Печенгской структуры)

–справа. Кривые измерены в меридиональном и широтном направлении

Вцелом качество измеренных данных можно назвать хорошим, несмотря на присутствие в районе исследований высоковольтных линий электропередач, военных баз, автомобильных дорог, железных дорог и газопроводов. Основные проблемы в определении импедансов и значений магнитовариационных функций отклика возникли в следующих частотных диапазонах от 3000 Гц до 800 Гц и 1 герца. Эти проблемы связаны с минимумами спектров сигнала естественного переменного магнитного поля Земли. Погрешности в частотном диапазоне ниже 1000 секунд связаны с недостаточным временем накопления сигнала, т.к. записи МТЗ были не длиннее 20 часов.

Редактирование и построение сплайнов кривых кажущегося сопротивления, дополнительного импеданса, фазы импеданса, частотных характеристик модуля и фазы типпера, действительных и мнимых частей компонент вектора индукции, осуществлялось с использованием программы SSMTBASE (автор Андрей Элбакидзе). На данном этапе особенностью обработки тензора импеданса являлось:

1. Совместное использование для различных диапазонов частот импедансных и адмитансных решений [7];

137

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

2. Использование на финальной стадии обработки амплитудно-фазовой коррекции всех компонент магнитотеллурического импеданса [8]. Данная процедура не применялась для пикетов на которых были явные нарушения дисперсионных соотношений [2].

Результаты и выводы

Анализ магнитотеллурических и магнитовариационных параметров показал, что геоэлектрическую среду района расположения профиля следует классифицировать как трёхмерный объект поскольку:

-амплитудные полярные диаграммы основных и дополнительных импедансов в ряде точек имеют вид не типичный для горизонтально-слоистых и двумерных сред;

-большие значения типпера в точках наблюдения (хотя амплитуды аномалий закономерно изменяются вдоль профиля) и скачки на фазе импеданса говорят о наличии вертикальных контактов контрастных геоэлектрических сред;

-индукционные вектора имеют большие амплитуды и не всегда ориентированы вдоль профиля;

-фазы импеданса приближаются к критическим значениям и на некоторых точнках выходят за пределы общепринятых диапазонов.

Таким образом, интерпретация материалов должна выполняться в классе трехмерных моделей.

Несмотря на сложность строения структуры, авторы выполнили разворот тензора импеданса в направлении в крест и вдоль профиля измерений и провели двумерную инверсию. В результате подбора практически на всех точках профиля типы полевых и расчётных амплитудных и фазовых кривых совпали. Также совпал и уровень кривых.

Вся Печенгская структура на фоне обрамляющих структур проявляется как зона пониженного удельного электрического сопротивления, погружающая в юго-западном направлении. В ее составе отчётливо выделяется Ждановская свита, которая также погружается в юго-западном направлении Несмотря на то, что на дневной поверхности южная граница Печенгской структуры находится в пределах 14-го пикета, на геоэлектрическом разрезе видно, что граница Печенгской структуры находится южнее выполненного профиля.

По мнению авторов, более надёжные построения и геологическая интерпретация разреза земной коры Печенгской структуры возможны лишь при выполнении более детализационных полевых исследований.

Список литературы

1.Жамалетдинов А.А. Модель электропроводности литосферы порезультатам исследований с контролируемыми источниками поля (Балтийский сщит, Русская платформа). Л.: Наука., 1990. 159 с

2.Бердичевский М.Н., Дмитриев В.Д. Модели и методы магнитотеллурики. Научный мир., М., 2009,

674 с.

3.Рокитянский И.И., Исследование аномалий электропроводности методом магнитовариационного профилирования. Наукова думка. Киев., 1975, 276 с.

4.Ингеров.О., Применение электроразведочных методов при поисках залежей углеводородов., Записки Горного Института. Ст. Петербург.,Том 162., 2005, с. 15-25.

5.Лео Фокс., Современные тенденции в развитии электроразведочного аппаратурно-программного комплекса. Записки Горного Института., Ст. Петербург, Том 162., 2005г., с.9-14.

6.Gamble T.D., Goubau W.M. and Clark, J., 1979, Magnetotellurics with a remote reference, Geophysics

44, 53-68.

7.Sims W.E., Bostick F.X., H.W., Smith J.R. and Smith H.W. The estimation of magnetotelluric impedance tensor elements from measured data // Geophysics, Vol. 36, No.5, 1971. P. 938-942.

8.И.С. Фельдман, Ермолин Е.Ю., Амплитудно-фазовая коррекция кривых магнитотеллурического зондирования, Записки Горного института. Т. 194. Санкт-Петербург. 2011. с. 200-210

138