Как учёные ИПФ РАН помогают археологам раскрывать тайны истории

15 августа в России праздновали День археолога.

Благодаря этой науке мы имеем возможность узнать многое из того, как и чем жили наши далекие (и не очень) предки, какие были у них ремесла, чем они питались, как строили свои отношения, да и как выглядели – тоже. О роли физики в археологии мы поговорили с заведующим отделом геофизической акустики ИПФ РАН, кандидатом физико-математических наук Александром Малехановым.

«Среди ученых ИПФ РАН нет профессиональных археологов, но все же есть специалисты, знания и труд которых оказываются весьма полезными для этой науки. Несколько лет назад сотрудники отдела геофизической акустики работали «плечом к плечу» с нижегородскими археологами над одним интересным проектом.

Геофизическая акустика – это область акустики, предметом изучения которой являются природные среды, в том числе и «самая геофизическая» природная среда – земные породы.

Одна из основных тематик отдела геофизической акустики в ИПФ РАН - акустика земных пород (ее называют еще сейсмоакустикой), причем не только исследование акустических свойств, но и акустические методы дистанционной диагностики пород. Акустические волны и специального вида сигналы, «посаженные» на эти волны, могут довольно далеко «убежать» в земных породах. В этом случае появляется возможность для диагностики строения и свойств пород. И сейсмоакустика для такого рода задач – самый главный «инструмент», поскольку электромагнитные волны, кроме самых низкочастотных, так далеко (или глубоко) «убегать» в земных породах не могут.

Конечно, и с акустическими сигналами все не так просто, поскольку необходимо принимать в расчет много физических и технических факторов (прежде всего, частотный диапазон, мощность излучения, особенности расположения приборов). Ученым остается придумать, как ее «приспособить» под конкретные задачи.

Что нужно археологам от физиков? Прежде всего, им нужно знать и заранее, до начала раскопок, где именно раскапывать и насколько далеко и глубоко простирается поле их кропотливой работы («поле» – в прямом смысле).

Действительно, ни один полевой археолог, даже самый успешный, никогда не знает, насколько он дошел до конца в своих раскопках и где находятся границы объекта его интересов (кажется, примерно такая по смыслу фраза была высказана когда-то едва ли не самым известным археологом, открывателем Трои Генрихом Шлиманом). Дело здесь не только в естественном желании сэкономить время и ресурсы, но и в том, что любой раскоп – это, так или иначе, разрушение исторического памятника (будь то древнее поселение, могильный курган или поле сражения). Чтобы выполнить раскоп наиболее «деликатно» и с научной точки зрения – максимально продуктивно, крайне важно иметь предварительный «диагноз».

Физические методы неразрушающей диагностики археологических памятников:

— электромагнитные волны — не слишком подходят для зондирования земных пород, но вполне хорошо «справляются» с небольшими глубинами (доли и единицы метров);

— электроразведка — диагностика верхнего слоя земли на основе электрических токов;

— магниторазведка — диагностика структуры пород, основанная на различиях в магнитных свойствах искомых неоднородностей (объектов) на фоне окружающей почвы.

Что же касается нас, то наши профессиональные интересы касаются, разработки и применения именно акустических методов диагностики верхнего слоя земных пород. И основная задача здесь та же, как и в любом другом методе диагностики – обеспечить как можно более высокое пространственное разрешение (т.е. способность «увидеть» мелкие неоднородности и отличить их от других, близко расположенных) и, по возможности, на более значительных расстояниях.

Не вдаваясь в детали, можно сказать кратко – акустические методы имеют значительные преимущества перед другими методами в решении подобных задач, особенно в тех ситуациях, когда речь идет о диагностике слабозаметных (с малым контрастом) объектов. Наши совместные работы с нижегородскими археологами позволили это продемонстрировать.

На протяжении ряда лет группа преподавателей и студентов ННГУ, специализирующихся в области истории и археологии Нижегородского края, работала в Богородском районе нашей области – на высоком правом берегу Оки, в ничем особо не примечательном (внешне) месте. Но на самом деле место это – очень даже примечательное, поскольку представляет собой древнее захоронение людей, живших здесь в эпоху раннего Средневековья (в 5-7 веках нашей эры). Где располагалось само поселение, еще предстоит выяснить, но и этот грунтовый могильник – тоже свидетель важнейшего исторического процесса, который только начинался в те далекие времена. Речь идет о славянской экспансии на северо-восток, в междуречье Волги и Оки, благодаря которому стала постепенно складываться та общность людей, которая впоследствии получила название великорусской народности.

Как это часто бывает, наше первое знакомство с этими работами носило случайный характер, но в результате возникла интересная научная задача – предложить и экспериментально проверить неразрушающие методы акустического зондирования, которые позволили бы с достаточно высокой точностью указать направления и места будущих раскопок и оконтурить площадку захоронения в целом. Здесь важно подчеркнуть ту ключевую специфику (физическую!), которая обусловлена самим объектом исследования: очень низкий (на уровне единиц процентов) контраст параметров на фоне окружающего суглинка – не забудем, что возраст отдельных захоронений, которые нужно было «разглядеть» под слоем почвы, составляет полтора тысячелетия! В подобных изысканиях как раз и требуется то, о чем было сказано выше – высокая чувствительность и разрешение. В таких сложных условиях известные методы (о которых я упомянул выше), как оказалось, не дали явного результата.

Молодой командой археологов и работами по исследованию этого исторического памятника руководил Николай Николаевич Грибов, доцент ННГУ (сейчас он работает в московском Институте археологии РАН) – известный специалист по археологии Нижегородского края и истории его освоения славянскими племенами. С нашей «акустической» стороны руководителем работ был заведующий лабораторией Андрей Вадимович Лебедев, известный своими работами в области акустики гетерогенных сред и сейсмоакустики. Возникшая «археологическая» задача хорошо легла на успешный опыт предыдущих исследований отдела, которые были нацелены на разработку методов сейсмоакустической диагностики с высоким пространственным разрешением.

Начиная с середины 1990-х годов, в ИПФ РАН был выполнен ряд экспериментальных работ в этом направлении, которые позволили нам предложить и освоить новую «нишу» в области сейсмоакустики, названную когерентной сейсмоакустикой. Термин «когерентный» в этом определении имеет практически тот же смысл, что и в когерентной оптике – то есть, сейсмоакустика, основанная на применении зондирующих сигналов со специальными физическими (когерентными!) свойствами: каждый последующий сигнал хорошо воспроизводит все предыдущие, и при этом они обладают специально подобранными частотно-временными параметрами.

В результате совместных исследований удалось экспериментально проверить эффективность двух акустических методов диагностики верхнего слоя земных пород, которые оказались подходящими для решения поставленной задачи. Первый из предложенных методов был вариантом традиционного подхода, основанного на локации рассеивающего объекта по отраженной волны в объеме среды, но второй – более оригинальный, основанный на использовании дисперсионных свойств поверхностной волны (той, которая хорошо распространяется вдоль земной поверхности, но имеет при этом определенную, зависящую от частоты, глубину проникновения). Раскопки, выполненные археологами на следующий сезон после нашей диагностики площадки, показали весьма хорошую эффективность предложенных методов и поставленного акустического «диагноза».

Таким образом, сейсмоакустика – тот инструмент, который никогда не заменит традиционные инструменты полевой археологии, но способен оказаться полезным для достижения основной цели этой науки – заглянуть в далекое прошлое человечества.

Пользуясь таким хорошим случаем, я рад поздравить наших коллег–археологов с профессиональным праздником и пожелать им новых интригующих открытий!»