|
РусАрх |
Электронная научная библиотека по истории древнерусской архитектуры
|
Источник: Нечаева Т.Б. Основные проблемы археомагнитного датирования. В кн.: Проблемы абсолютного датирования в археологии. М., 1972. Все права сохранены.
Размещение электронной версии в открытом доступе произведено: www.archeologia.ru. Все права сохранены.
Иллюстрации приведены в конце текста.
Размещение в библиотеке «РусАрх»: 2006 г .
Т. Б. Нечаева
ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ АРХЕОМАГНИТНОГО ДАТИРОВАНИЯ
стр.122
Возникновение науки о земном
магнетизме можно связать с появлением в
Современная аппаратура позволяет регистрировать элементы земного магнетизма с большой точностью. Спутники, фиксирующие поле Земли на различных высотах, открыли новый этап в его изучении, дополнив наши знания, полученные с помощью наземных наблюдений.
Однако как бы ни совершенствовались современные методы регистрации магнитного поля Земли, они ничем не могут помочь в изучении динамики поля, его изменений во времени, так как период инструментального изучения поля (примерно 300 лет) ничтожно мал в сравнении со временем жизни планеты, а значит — и со временем существования ее магнитного поля. Восстановить же «историю жизни» магнитного поля, зная лишь очень короткий ее эпизод, — задача практически неразрешимая. К счастью, магнитное поло — единственное известное в физике поле, обладающее «памятью».
При извержении вулканов отпечаток магнитного поля Земли застывает в лавовых потоках в виде остаточной термонамагниченности, механизм которой в настоящее время хорошо изучен [1]. При образовании осадков в водоемах частицы породы выстраиваются таким образом, чтобы их магнитные моменты были ориентированы вдоль магнитного меридиана. Таким путем образуется детритная намагниченность [2].
Тот же механизм, который действует в остывающей лаве, приводит и к образованию остаточной намагниченности глины при искусственном обжиге. Поэтому еще с конца прошлого столетия геомагнитологов волновала проблема — как продлить натурный ряд изменений поля в прошлые эпохи, используя свойство магнитной памяти. Изучение остаточной намагниченности пород и искусственных обожженных глин привело к созданию двух близких отраслей геомагнитологии — палеомагнетизма и археомагнетизма.
Первые археомагнитные измерения были
осуществлены Фольгерайтером на рубеже нашего века [3]. Объектами изучения были
римские керамические сосуды, относящиеся к I тыс. до н. э. В
Серьезный этап в археомагнитологии начался с работ Е. Телье и О. Телье, предложивших методику определения всех трех компонентов геомагнитного поля — склонения, наклонения и напряженности — путем сравнения поведения естественной и искусственной остаточной намагниченности при нагреве и охлаждении на одном и том же образце [1]. С тех пор археомагнитные исследования получили признание и были развернуты во многих странах — во Франции, в Англии, Японии, Чехословакии и Советском Союзе. В последние годы начаты работы такого профиля в США, Польше, Болгарии, Румынии.
Современная археомагнитология развивается по следующим основным направлениям: 1) методическое (разработка специальной аппаратуры и методики измерений); 2) собственно археомагнитное (построение кривых вековых вариаций геомагнитных параметров); 3) интерпретационное (аналитическое представление полученных данных); 4) прикладное (датирование).
Поскольку археомагнетизм является сравнительно новым направлением в науке, особое внимание уделяется вопросам методики.
стр.123
В этой области больших успехов добились физики французской и английской школ. Телье, как уже говорилось, является автором термомагнитного метода, без которого невозможно достоверное определение древних геомагнитных параметров.
О. Телье и Е. Телье разработали методы точной ориентации и отбора образцов в поле, а также решили ряд вопросов, связанных с аппаратурой для археомагнитных измерений: в лаборатории Телье создан прибор индукционного типа для измерения остаточной намагниченности объектов произвольной формы, что позволяет включить в число объектов археомагнитного изучения и керамику.
Английские и американские археомагнитологи М. Дж. Эйткин [5], Б. Р. Хартлей, Г. X. Вивер, М. Р. Гарольд, Дю Бойс широко известны работами по методике отбора образцов из древних печей; они подробно исследовали зависимость получаемых результатов от участка печи, где находился образец.
Работ, посвященных непосредственно построению кривых вековых вариаций, в настоящее время довольно много. Особенно многочисленны определения древнего наклонения. Остановимся кратко на самых основных из них.
Первая группа кривых вариаций наклонения была подробно описана в работе С. П. Бурлацкой, Т. Б. Нечаевой, Г. Н. Петровой [6]. Это кривая Е. Телье — для Франции, Н. Ватанабе — для Японии, Д. Бельше — для Англии, Р. Шевалье — для Рима и Сицилии, С. П. Бурлацкой — для Кавказа, Т. Б. Нечаевой — для Новгорода, С. П. Бурлацкой и Т. Б. Нечаевой — для Средней Азии. Сравнение этих данных, относящихся к различным географическим районам, по лежащих примерно в одном широтном поясе (43 ± 4° с. ш. ), позволило установить наличие фазового сдвига, соответст-
стр.124
вующего перемещению в западном направлении со скоростью примерно 0, 2° в год. Такая же оценка была получена для данного явления, называемого обычно западным дрейфом, и по обсерваторным данным. На этой же группе кривых была проверена еще одна закономерность распределения поля на земной поверхности — дипольный характер зависимости среднего наклонения от геомагнитной широты [7].
В последние годы появилась целая серия работ, посвященных определению древнего наклонения и склонения. Эйткин и Вивер получили кривые измерений этих параметров для территории Англии (рис. 1, а). Они использовали коллекцию образцов, отобранных из 80 археологических структур. В качестве лабораторного метода пользовались термической чисткой [8].
Другая крупная работа такого же плана принадлежит японским авторам Н. Каваи, К. Хироока, К. Токиеда и Т. Киши [9]. Для определения древних параметров поля использовались два лавовых потока и керамика. В лабораторных экспериментах пользовались чисткой переменным полем. Соответствующие кривые приведены на рис. 1, б.
В работе китайских исследователей Дэн Синхуэя и Ли Дун-дзе [10] представлены результаты измерений наклонения и напряженности для периода около 2000 лет. Образцами служили кирпичи (408 шт. ) из 39 зданий, построенных в течение ряда династий. Напряженность определялась методом Телье. Обе полученные кривые приведены на рис. 1, в.
Опубликованы предварительные
результаты археомагнитных измерений для Болгарии [11], представленные на рис.
В настоящее время образцы обрабатываются по методике Телье.
Следует упомянуть также две кривые вариации наклонения — для Венгрии, полученную Этвёшем, и для Румынии — Букур [12].
Данные по наклонению имеются для целого ряда городов Советского Союза (Львова, Ленинграда, Каунаса, Вильнюса и др. ) благодаря работам Е. Н. Тархова [13]. Однако хотя эти данные относятся к «ближнему археомагнетизму», мы не будем останавливаться на них подробно.
Нами была получена предварительная кривая для Москвы, построенная по образцам хорошо датированных кирпичей из древних зданий. В настоящее время эту работу продолжает И. Е. Начасова. Она получила наиболее подробную из известных в настоящее время кривую наклонения и напряженности для последних 500 лет (рис. 2). Коллекция образцов подобрана таким образом, что каждое десятилетие представлено минимум тремя объектами. В последнее время все большее значение приобретают интерпретационные работы, так как накопившийся материал позволяет использовать методы математического анализа. Автором настоящей статьи получены кривые изменения наклонения и напряженности для Украины, а также предложен метод первичной обработки экспериментальных данных, учитывающий их разброс и погрешность датировки [14]. Дело в том, что по мере накопления данных возникают серьезные трудности в их обработке. В археомагнитных исследованиях инструментальные ошибки незначительны; напротив, наиболее существенны по величине и, главное, трудноустранимы ошибки, связанные с неточностью датировки и неточными сведениями о положении образца во время обжига. На рис. 3, а представлены результаты измерений наклонения для Украины. Горизонтальными линиями обозначены пределы датировки, вертикальными — разброс данных по объекту. Естественно, провести кривую непосредственно по этим точкам нельзя. Поэтому встал вопрос о том, как из представленного поля точек с помощью разумной обработки выявить основную закономерность. Данные обрабатывались двумя способами: методом усреднения со скользящим интервалом и методом выделения прямоугольника с максимальным весом. Поскольку для определения наклонения использовались разные лабораторные методы, дающие результаты различной точности и надежности, то каждому измерению приписывался вес.
Для измерений по методу Телье, температурной чистки и обычных измерений было выбра-
стр.125
но соотношение весовых коэффициентов 1: 0, 5: : 0, 25.
Каждый результат изображался прямоугольником, составленным из интервала датировки и ошибки определения по данному объекту. Затем в каждом временном интервале в 100 лет вычислялось среднее весовое значение наклонения, при этом вес каждого значения наклонения умножался на дробь, соответствующую части площади прямоугольника, попавшего в данный интервал. Таким образом были вычислены средние столетние значения по всей кривой со сдвигом в 50 лет (сплошная кривая на рис. 3, б).
Во втором способе каждый столбец шириной Δt = 100 лет разбивался на прямоугольники высотой J = 5°. Затем вычислялся суммарный вес точек, попавших в каждый прямоугольник. Кривая проводилась через центры прямоугольников с максимальным весом (пунктирная линия на рис. 3, б). Поскольку результаты обоих методов осреднения дают близкие кривые, была принята за экспериментальную первая из них как более простая для расчета.
Аналогичным образом была рассчитана и кривая напряженности, с той лишь разницей, что веса принимались обратно пропорциональными квадрату ошибки (так как метод в данном случае был для всех измерений единым). Сами же значения напряженности для каждого образца вычислялись на ЭВМ методом наименьших квадратов. На рис. 4 представлены первичные данные и результирующая кривая.
Экспериментальная кривая наклонения для Украины (сплошная кривая на рис. 4, б) была подвергнута обобщенному спектральному анализу. Энергетический спектр этой кривой, приведенный на рис. 5, показывает, что вариация наклонения может быть аппроксимирована тремя синусоидальными колебаниями с периодами 350, 550 и около 1000 лет, из которых преобладающей по амплитуде является гармоника 550 лет.
Если все перечисленные выше кривые вариаций наклонения сопоставить по основным параметрам — периоду, амплитуде и скорости изменения, то результаты, представленные в виде
стр.126
гистограммы на рис. 6 (а—в), можно сформулировать следующим образом: преимущественным значением периода является Т = 500 лет, амплитуда имеет два одинаковых по частоте встречаемости значения 4—5 и 7—8°, а скорость изменения V = 0, 05—0, 06°/год. Это говорит о том, что изменение наклонения носит не случайный, локальный характер, а имеет общепланетарные черты. О том же самом свидетельствует и поразительное сходство, которое обнаруживают кривые вариаций наклонения для Украины и Японии, представленные на рис. 7. Обе кривые обработаны одинаковым методом (изложенным выше на примере получения украинской кривой), но кривая для Японии перевернута, т. е. процессы протекают очень похоже, но в противоположной фазе.
Медленнее всего накапливаются данные по магнитному склонению. Это связано, с одной стороны, с повышенными требованиями, предъявляемыми к образцам (они должны быть ориентированы in situ), а с другой — с большой величиной ошибки в определении этого параметра из-за относительно малой величины компоненты X и Y. Наиболее значительные работы в этой области выполнены С. П. Бурлацкой для Кавказа, Д. Бельше и Куками для Греции [15], Ватанабе для Японии [16], Эйткиным и Вивером [8] для Англии. Систематический сбор материала, пригодного для измерения склонения, ведется сотрудниками Геофизического института АН УССР. Получены первые результаты, которые готовятся к публикации. Суммарные данные по склонению представлены на рис. 8, но их немногочисленность не позволяет сделать какие-либо определенные выводы.
Что касается напряженности поля, то представления об изменении этого параметра в последнее время значительно расширились. Первые данные, полученные Телье, позволили сделать вывод о монотонном изменении величины поля за последние 2 тыс. лет на некоторой ограниченной территории. Затем этот первый вывод был подтвержден данными С. П. Бурлацкой для Кавказа, Ватанабе для Японии, Т. Б. Нечаевой для Новгорода и т. д. Затем по мере накопления данных в литературе стали высказываться соображения о том, что на плавный ход напряженности во времени накла-
стр.127
дывается вторичная гармоника с гораздо меньшим периодом (порядка 400 лет), однако нельзя было однозначно определить, является этот эффект локальным или планетарным.
Одновременно, хотя и медленнее, накапливались данные по напряженности для более древних эпох. Наиболее значительные исследования в этой области принадлежали В. Бухе [17], который получил самые «древние» значения напряженности по образцам печей из Чехословакии и Турции. Это дало возможность оценить период и амплитуду «плавного» колебания геомагнитного поля — оно меняется примерно от 0, 5 до 1, 5 своей величины с периодом порядка 8 тыс. лет.
Очень существенно, что в последние годы появились определения напряженности на территории Америки, проводимые по совместной программе учеными Японии и США [18]. Отсутствие этих данных весьма затрудняло выводы, касающиеся планеты в целом.
Все данные по напряженности поля, накопленные к настоящему времени, собраны в двух больших сводках — Смита [19] и С. П. Бурлацкой [20]. Обобщенный гармонический анализ этих данных, проделанный нами, показал, что действительно существует вторичная гармоника с периодом 350 лет, которая имеет планетарный характер (во всяком случае, это справедливо для Северного полушария). С меньшей достоверностью, однако достаточно определенно, выявляется колебание с периодом порядка 1000 лет. Периодограмма этих колебаний, полученная в результате разложения в интеграл Фурье, представлена на рис. 9.
Таким образом, изменение магнитного поля Земли носит чрезвычайно сложный характер, как и всякое геофизическое явление вообще. То, что мы наблюдаем в какой-то точке земного шара, представляет собой суперпозицию различных колебаний, которые могут иметь не только разные внешние характеристики, но и разную природу. Поэтому для археомагнитологии чрезвычайно важно выделить из наблюдаемой суммы явлений ее слагающие, выявить природу каждого из них и оценить их количественно. Тогда станет возможным по не-
стр.128
полным археомагнитным данным синтезировать магнитное поле в любой заданной пространственной и временной точке. Хотя это дело далекого будущего и является задачей прежде всего геофизической, мы остановились на этом вопросе из-за того, что это имеет прямое отношение к археологии. Дело в том, что из-за ограниченности археологического материала мы никогда не получим возможности иметь «опорные» (эталонные) кривые, построенные для любого места и времени. И здесь спасти положение могут только расчетные закономерности.
Что касается самой проблемы археомагнитного датирования, то этот раздел археомагнитологии отстает и всегда будет отставать от геофизических исследований по вполне понятным причинам: датирование есть обратная задача археомагнетизма, и решить ее можно лишь тогда, когда решена прямая задача. Этим и объясняется то, что попытки датирования этим методом пока еще немногочисленны.
Развитие схем датирования можно приблизительно представить следующим образом. На первом этапе сравниваются результаты измерений по двум различным объектам. Если значения параметров не совпадают, то объекты считаются разновременными; если совпадают — то объекты могут быть одновременными (но этого нельзя утверждать определенно из-за периодичности в изменении поля). Этот этап условно можно назвать сравнением точки с точкой. В этом случае, кроме обычной ошибки метода, мы не гарантированы от случайной ошибки для обоих сравниваемых объектов.
Второй этап — «сравнение точки с кривой», т. с. сопоставление результатов измерений по одному объекту с опорной кривой (или кривыми), построенной для исследуемой территории и для определенного временного периода,
В этом случае, с одной стороны (для кривой), случайные ошибки исключаются, а с другой стороны (точка), они могут иметь место и вносить существенные искажения. По принципу «сравнения точки с кривой» С. П. Бурлацкая осуществила первые опыты датирования средневековых памятников Грузии [21], Е. Н. Тархов — памятников Ленинграда [22]. Таким же образом С. П. Бурлацкая и Т. Б. Нечаева сделали первые оценки возраста гончарных печей из четырех поселений черняховской культуры [23].
На следующем этапе исследований задача состоит в том, чтобы избавиться полностью от случайных ошибок и свести к минимуму ошибку метода. С этой точки зрения желательно датировать не отдельные объекты, а целые комплексы. Вероятность внесения ошибки может быть уменьшена и путем учета локальных аномалий геомагнитного поля.
В связи с переходом к более объективному способу обработки экспериментального материала (рассмотренного выше на примере Украины) мы попытались сделать объективнее и саму датировку. Для этого серия образцов из датируемого объекта (желательно не менее 5—10) подвергается лабораторным измерениям, после чего вычисляется среднее весовое значение соответствующего параметра для данного объекта. Если имеется несколько заведомо одновременных объектов, то затем вычисляется среднее весовое по всем объектам (вес вводится в зависимости от погрешности полученных результатов по каждому объекту). Полученное значение сопоставляется либо со сглаженной весовой кривой для данной территории, либо с интервалами наиболее вероятных значений параметра (квадратами с максимальным весом). Соответствующие временные интервалы и будут вероятными искомыми значениями. Однозначность в их выборе достигается исполь-
стр.129
зованием по крайней мере двух параметров (например, наклонения и напряженности), а еще лучше всех трех (включая я склонение).
По этому способу нами были сделаны предварительные оценки возраста образцов печей и строительной керамики из ряда поселений черняховской культуры: Журавки, Тарасовки, Калиновки, Рипнева, Делакеу, Лукашевки, Собаря и Будешт. Предложенная схема представляется нам более объективной, поскольку не требует никаких гипотез относительно характера изменения магнитного поля. Хотя полученная точность датировки при этом невелика (100 лет), она не является предельной. Разбивая поле точек на квадраты вдвое меньшей площади, мы можем получить датировку с точностью 50 лет, что методически является вполне достижимым.
Единственное требование, которое при этом предъявляется, — большое количество материала. Поэтому планомерное накопление образцов — как эталонных, так и датируемых — является совершенно необходимым для дальнейших исследований.
Совершенно новый этап в развитии отечественной археомагнитологии начнется с переходом к использованию керамики. Но переход к новому материалу потребует более систематического и целенаправленного подбора массовых коллекций. Для этой цели целесообразно организовать специальную постоянную экспедицию с участием археологов и геофизиков.
Итак, обзор современных работ в области археомагнетизма показывает, что эта новая область науки развивается успешно. Полевые и лабораторные методы продолжают совершенствоваться. Растет количество данных по разным странам, что позволяет применять современные методы математического анализа и тем самым выявлять новые закономерности в изменении земного магнитного поля. Все это способствует становлению и развитию четвертого направления археомагнетизма — археомагнитному датированию. Исследования в этой области пока остаются самой трудной задачей в археомагнетизме, но решение ее возможно.
Сноски
1. Е. Телье, О. Телье. Об интенсивности магнитного поля Земли в
историческом и геологическом прошлом. «Известия АН СССР», серия геофизическая,
1959, № 9, стр. 1296.
2. Т. Нагата. Магнетизм горных пород. М., 1965.
3. G. Folgheraiter. Ricerche sull inclinazione magnetica all epoca etrusca.
«Atti della Reale Academia dei Lincei», v. 5, 2, sem. 1896, p. 293.
4. R. Chevallier. L'aimantation des laves de l'Etna et l'orientation du
champ terrestre en Sicile du XVII au XVIII siècle. «Annales de
Physique», 1925, IV. Deuxièmo série. Paris, VI, p. 5; «Variacion
Secular del Campo Geomagnetico, Consejo Superior de Investigaciones
cientificas», 1953. Memoria, № 14.
7. С. П. Бурлацкая, Т. Б. Нечаева, Г. Н. Петрова.
Характерные черты вековых вариаций геомагнитного поля по мировым археомагнитным
данным». «Известия АН СССР, Физика Земли», 1970.
8. М. J. Aitken, G. H. Weaver. Recent Archaeomagnetic Results in England. «J. Geomagn. Geoelectr. »,
1965, v. 17, № 3-4, p. 391.
9. N. Kawai, K. Hirooka, K. Tokieda, T. Kishi. Archaeosecular Variation
of Geomagnetic Field in Japan. «Annual Progress Report of Palaeogeophysica
Research in Japan», 1967.
10. Den Sin-huey, Li Dun-tsze. The Geomagnetic Field in Peking Region
and its Secular Variaton During the Last 2000 years. «Acta geophys. Sinica»,
1965, v. 14, № 3.
11. M. Kovacheva-Nozharova. Ancient Magnetic Field in Bulgaria. «Comptes
rendus de l'Académie Bulgare des Sciences». 1968, t. 21, № 8.
12. I. Bucur. La variation de l'inclinaison magnétique du XIVe ou
XVIII siècle, établic pour deux Regions de
13. E. H. Тархов. Геомагнитное наклонение в европейской части
СССР и Сибири по археомагнитным данным. Автореф. канд. дисс. М., 1968.
14. Т. Б. Нечаева. Построение и анализ кривых вариаций наклонения
и напряженности геомагнитного поля для Украины. «Тезисы докладов на VIII
Всесоюзной конференции по постоянному геомагнитному полю и палеомагнетизму»,
1970.
15. I. С. Belshé, К. Cook, R. M. Cook. Some Archaeomagnetic
Results from Greece. «Annual of the British School of Archaeology of Athens»,
1963, v. 58.
16. N. Watanabe. Secular Variation in the Direction of Geomagnetism as
the Shandard Scale for Geomagnetochronology in Japan. «Nature», № 4632, 1958,
August, 9.
17. V. Bucha. Results of Archaeomagnetic Research in Czechoslovakia for
the Epoch from 4400 В. С to the Present. «J. Geomagn.
Geoelectr. », 1965, v. 17, № 3-4.
18. K. Kitazawa, K. Kobayashi. Intensity Variation of the Geomagnetic
Field During the past 4000 years in South America. «J. Geomagn. Geoelectr. »,
1968, v. 20, № 1.
19. P. J. Smith. Ancient Geomagnetic Field Intensities. II. Geological
data: Sets G. 1-G21; Historic and Archaeological data: H-10 — H-14. «Geophys.
J. Roy. Astronom. Soc», 1967, v. 13.
20. С. П. Бурлацкая. Напряженность геомагнитного поля по мировым
археомагнитным данным за последние 8500 лет. «Геомагнетизм и аэрономия», 1970,
т. 10, № 4, стр. 694.
21. С. П. Бурлацкая. Археомагнетизм, исследование магнитного поля
Земли и прошлые эпохи. М., 1963.
22. Е. Н. Тархов. Геомагнитное наклонение в европейской части
СССР и Сибири по археомагнитным данным. Л., 1967.
23. С. П. Бурлацкая, Т. Б. Нечаева. Датирование образцов
черняховской культуры археомагнитным методом. СА, 1968, № 4.
5. M. Дж. Эйткин. Физика и археология. М., 1963.
6. С. П. Бурлацкая, Т. Б. Нечаева, Г. Н. Петрова.
Оценка западного дрейфа векового хода наклонения и изменения магнитного момента
Земли по археомагнитным данным. «Известия АН СССР, Физика Земли», 1965, № 6.
Иллюстрации
Рис. 1. Вековые вариации угловых элементов по мировым данным а — вариации
склонения (D) и наклонения (I) в Британии (сплошной линией показаны результаты
прямых наблюдений); б — вариации склонения и наклонения в Японии (по данным
Каваи и др. ); в — вариации наклонения в Китае; г — предварительные результаты
измерений наклонения в Болгарии
Рис. 2. Среднестолетнее значение наклонения (I) и напряженности (К) для Москвы
Рис. 3. Первичные данные (а) и результирующая кривая (б) вариаций наклонения для Украины
Рис. 4. Первичные данные (а) и результирующая кривая (б) вариаций напряженности для Украины
Рис. 5. Энергетический спектр (а) и периодограмма (б) вариаций наклонения для Украины S(T) — энергетическая плотность; А(Т) — амплитуда, в градусах;
Рис. 6. Распределение основных параметров вариаций наклонения по мировым данным
Рис. 7. Сравнение кривых изменения наклонения для Украины и Японии
Рис. 8. Предварительные данные по склонению (D) для Украины (кружки), Польши (треугольники) и Болгарии (ромбики)
Рис. 9. Периодограмма колебаний напряженности поля по мировым данным А(Т) — амплитуда, в градусах
Все материалы библиотеки охраняются авторским правом и являются интеллектуальной собственностью их авторов.
Все материалы библиотеки получены из общедоступных источников либо непосредственно от их авторов.
Размещение материалов в библиотеке является их цитированием в целях обеспечения сохранности и доступности научной информации, а не перепечаткой либо воспроизведением в какой-либо иной форме.
Любое использование материалов библиотеки без ссылки на их авторов, источники и библиотеку запрещено.
Запрещено использование материалов библиотеки в коммерческих целях.
Учредитель и хранитель библиотеки «РусАрх»,
академик Российской академии художеств
Сергей Вольфгангович Заграевский