ОСОБЕННОСТИ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ПРОФИЛОГРАФА В ПОДВОДНОЙ АРХЕОЛОГИИ

Основными гидроакустическими инструментами для поиска объектов культурного наследия в подводной археологии являются эхолот, гидролокатор бокового обзора и многолучевой эхолот. С их помощью возможно не только обнаружить археологические памятники и получить их акустическое изображение, но и создать трехмерную карту области поиска. Более того, совместное использование гидроакустических приборов и спутниковых систем навигации позволяет получать трехмерные карты, каждая точка которых обладает географическими координатами [1–3]. В то же время в подводной археологии не редки случаи, когда археологические памятники частично или полностью скрыты осадочными породами. Тогда применение упомянутых выше линейных систем зондирования дна становится неэффективным. Возникшую проблему можно решить, если во время археологической разведки вместе с линейными системами дистанционного зондирования дна использовать акустический профилограф [1–12].

АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

Теоретическое обоснование примененной аппаратуры

Принцип работы профилографа во многом аналогичен принципу работы эхолота. Антенна профилографа излучает акустический импульс вертикально вниз в сторону дна и принимает отраженный обратно сигнал. Отличие заключается в том, что у эхолота отраженный сигнал содержит информацию только о рельефе дна. У профилографа отраженный сигнал содержит информацию как о рельефе дна, так и структуре грунта под дном. От отношения акустических сопротивлений соприкасающихся сред зависит, какая часть энергии поглотится, а какая вернется к антенне. Глубина проникновения акустического сигнала в донный грунт определяется как свойствами самого сигнала, так и геологическими характеристиками грунта. В крупнозернистые отложения (пески и гравий) сигнал труднее проникает, чем в мелкозернистые отложения (илы и глины). Форма объектов, уклон дна и поддонных слоев тоже влияют на отражающую способность [1–6].

Сравнивать параметры профилографов и линейных систем зондирования дна не совсем корректно, т.к. эти приборы решают разные задачи. Но все же по разрешающей способности линейные профилографы значительно уступают многим гидроакустическим системам, применяемым в подводной археологии. Некоторые авторы даже ставят под сомнение целесообразность применения профилографов для поиска объектов культурного наследия [1]. Низкая разрешающая способность обусловлена физическими свойствами используемых частот. Высокие частоты дают лучшее разрешение, но могут проникать в дно лишь на небольшое расстояние, и наоборот, низкие частоты проникают глубже, но дают худшее разрешение. Еще один фактор, зависящий от частоты, — это размер антенны линейного профилографа. Чем ниже частота, тем больше антенна. Это обстоятельство существенно осложняет применение линейных профилографов на маломерных судах на мелководье. Использование параметрических профилографов позволяет уменьшить влияние описанных выше проблем.

Различия линейного и параметрического профилографов состоят в следующем. Линейные профилографы в основном работают на одном или двух дискретных сигналах низкой частоты. Эти сигналы излучает антенна профилографа, и именно их свойства определяют разрешающую способность прибора. У параметрического профилографа антенна излучает не менее двух сигналов высокой частоты (сигналы накачки). Далее в воде происходит нелинейное взаимодействие сигналов накачки. В результате чего в среде формируется разностный сигнал низкой частоты. Именно от его свойств зависит глубина проникновения акустической волны в поддонный грунт и разрешающая способность прибора. Такой способ получения зондирующего импульса позволяет формировать сложные широкополосные сигналы. Более того, у акустического поля сигнала разностной частоты отсутствуют боковые лепестки. А ширина главного лепестка на всех разностных частотах равна ширине главного лепестка частот накачки. Эти факторы в совокупности с обработкой принятого сложного отраженного сигнала делают возможным сохранить приемлемую разрешающую способность профилографа. Также антенна параметрического профилографа излучает только высокочастотный сигнал, поэтому не требуется делать размер ее активной поверхности большим [13, 14].

Объект исследования и методика

В сентябре 2022 г. исследовательская группа, состоящая из преподавателей и студентов ФГАОУ

ВО "Южный федеральный университет", а также сотрудников ООО "НЕЛАКС", по заказу АНО "Подводное Археологическое Общество" провела археологическую разведку места раскопок Левобережного Цимлянского городища (Саркел – Белая Вежа). Для разведки применялись гидролокатор бокового обзора и параметрический профилограф. В ходе работ было проведено исследование части акватории Цимлянского водохранилища в районе г. Цимлянск Ростовской области. Цель экспедиции состояла в изучении характера дна водохранилища, получении батиметрических данных, составлении гидроакустической мозаики дна, выявлении объектов естественного и искусственного происхождения, расположенных как на поверхности дна, так и под ним [15, 16].

Крепость Саркел на Нижнем Дону была важнейшим компонентом инфраструктуры Хазарского каганата. Она была построена хазарами при помощи византийских инженеров в 830-х гг. Основной вклад в исследование Саркела внес М.И. Артамонов. Именно он на основании археологических раскопок в 1934–1936, 1949–1951 гг. локализовал крепость Саркел на месте Левобережного Цимлянского городища. Во время экспедиций М.И. Артамонова была раскопана большая часть крепости и получено колоссальное количество предметов культурного наследия прошлого. В дальнейшем место раскопок было затоплено во время строительства Цимлянского водохранилища [17–20].

К сожалению, у археологического памятника не были определены точные географические координаты. Поэтому после затопления крепость Саркел оказалась снова "потерянной". И все же сохранились схематичный план крепости (рис. 1), текстовые описания и фотографии, содержащие характерные особенности района раскопок [15, 17–20]. С момента затопления прошло относительно мало времени, поэтому эти особенности должны хорошо сохраниться. Этот факт существенно упрощает поиск места раскопок и идентификацию археологического памятника.

Для поиска объектов, расположенных под дном, использовался отечественный параметрический профилограф производства предприятия ООО "НЕЛАКС". Профилограф с рабочими частотами от 7 до 21 кГц позволяет осуществить обследование толщи морского грунта на глубину до 30 м с разрешающей способностью по слоям до 10 см. Аппаратура размещалась на маломерном судне (тримаран). Антенна профилографа крепилась на штангу по левому борту на глубину 1 м и ориентировалась параллельно дну. Навигация и последующая привязка обнаруженных объектов к координатам осуществлялись с помощью двух GPS-антенн, расположенных на штангах по обоим бортам судна.

Рис. 1. Схематичный план крепости Саркел [20].

1, 2, 3, 4, 5, 6 — прямолинейные траектории (галсы) движения измерительного судна

ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

На рис. 1 показан схематичный план крепости с нанесенными на него траекториями движения судна (галсами). Профилограммы, полученные в результате движения судна по галсам, представлены ниже. Проанализируем данные профилирования и сопоставим их с описанием местности расположения Саркела. Согласно работам [15, 17– 20], Cаркелское городище находилось на невысоком мысу коренного берега реки, образовывавшей здесь небольшую излучину. Этот мыс был отрезан от прилегающей части берега широким и глубоким рвом. Конец мыса был отделен вторым рвом, за которым и помещалась кирпичная крепость.

На рис. 2 представлена профилограмма с типичными рельефом дна и поддонной структурой Цимлянского водохранилища. Глубина меняется плавно, резкие перепады отсутствуют. На рисунке четко видны верхние границы двух слоев. По характеру отражения можно предположить, что верхний слой — это преимущественно песок, а нижний слой — это глина или чернозем. В правой части рисунка расположена низина, дно которой засыпано илом. Совокупный анализ всех галсов позволяет предположить, что низина является старым руслом реки Дон.

На профилограмме галса 2 (Приложение, рис. П) присутствует область с резкими перепадами рельефа дна. Четкое разделение слоев в ней отсутствует, т.к. она засыпана смесью песка и ила. Аналогичная картина наблюдается на рис. 3. На профилограмме видны холмы высотой около 3.5 м. Низменности между холмами покрыты слоем ила. Такой характер рельефа дна можно объяснить результатом антропогенного воздействия, а именно раскопками крепости Саркел.

На рис. 4 цифрой 1 обозначен фрагмент кирпичной стены крепости. Видимая прибором высота стены около 2 м. Большая часть стены как сверху, так и по бокам засыпана песком. Поэтому визуально она выглядит как песчаный холм высотой около 0.5 м над уровнем дна.

Рис. 3. Профилограмма галса 3

В левой и правой частях рис. 5 присутствуют низменности. Как уже отмечалось выше, правая низина представляет собой старое русло реки Дон. Левая низина является большим рвом, отрезавшим мыс, на котором была расположена крепость, от прилегающей части берега. Особый интерес представляет область, отмеченная на рисунке цифрой 2. В области аномалии видны границы трех слоев. Первые два слоя почти сливаются друг с другом и являются слоем чернозема или глины, который засыпан песком. Под ними находится слой мягкого грунта типа ил. Можно предположить, что аномалия является частью малого оборонительного рва. Но в то же время область 2 сильно удалена от кирпичной части крепости и, судя по окружающему рельефу, раскопкам не подвергалась.

На рис. 6 цифрой 3 обозначена аномалия, схожая с аномалией 2 на рис. 5. Однако аномалия 3 лежит в области района раскопок и ее местонахождение соответствует расположению малого рва. Еще одна область, представляющая особый интерес, обозначена на рис. 6 цифрой 4. В области 4 расположена яма глубиной около 2 м. Дно ямы засыпано илом. В яме находятся два вытянутых вверх и параллельных друг другу объекта. Место расположения объектов и их форма говорят об их искусственном происхождении. В результате сопоставления данных профилирования, гидролокационной съемки, водолазного обследования

Рис. 5. Профилограмма галса 5

Рис. 6. Профилограмма галса 6

и аэрофотосъемки 50-х гг. [15, 17–20] было выдвинуто предположение, что объекты являются описанными в археологических отчетах остатками здания [19].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты на рис. 2–6 и в Приложении не являются полностью исчерпывающими и самодостаточными. Они составляют только определенную часть от всего объема работ по комплексному дистанционному обследованию объекта культурного наследия. Однако изложенные выше результаты профилирования и их анализ убедительно доказывают необходимость использования параметрического профилографа в подводной ареологии при проведении разведки местности. Параметрический профилограф способен обнаружить объекты под дном и дать представление о геологическом строении верхних слоев района.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рис. П. Профилограмма галса 2