3 Методи

З метою документування курганних могильників, описаних у цьому каталозі, було використано низку геодезичних, геоінформаційних та геофізичних методів. Вони передбачали використання вимірювальної апаратури різного роду та спеціальних комп’ютерних програм (геоінформаційних систем GIS), які були необхідні для візуалізації результатів та їх аналізу.

3.1 Геодезичні та геоінформаційні методи

Зважаючи на значну залісненість досліджуваних ділянок, основним механічним інструментом були лазерні тахеометри, за допомогою яких проводилися звичайні вимірювання. З цією метою використано тахеометри Total Station (Leica TCR-407 та TCR-407Power). Для дослідження пам’яток, розташованих на безлісих ділянках або ділянках з рідшим деревостаном, використовувався також геодезичний приймач GNSS RTK (Real Time Kinematics).

Всі виміри, виконані тахеометрами, зчитувалися з приладів за допомогою програми Leica Geo Office Tools до файлу формату .idx. Після його обробки й конвертування до формату .xls у вигляді таблиці з координатами і висотами точок, у програмі ArcGIS (ArcMAP) відображався розподіл пікетів. У цій же програмі виконувалася інтерполяція. Використовувалися різні інтерполяційні методи – залежно від розподілу i густоти вимірювальної сітки на конкретному кургані або могильнику. Найчастіше для нормального розподілу точок використовувалися інструменти Topo To Raster та Triangulated Irregular Network.

Більшість вимірювань, проведених на документованих пам’ятках в рамках проекту, були виконані в довільній системі координат. Координати визначалися на місцевості відповідно до осі ординат (геодезично X) згідно з напрямом на географічну північ, та осі абсцис (Y) – перпендикулярно до попередньої зі зростаючими у східному напрямку показниками. Після проведення вимірювань, які базувалися на закладеній основі постійних точок, щонайменше три з них за допомогою RTK-приймача були позиціоновані в системі географічних координат Пулково 1942, Зона V. Таким чином виконувалося наступне перетворення і геореференція вимірювальних точок з локальної системи координат у геодезичну систему.

Залежно від морфологічних відмінностей поховальних об’єктів та їх оточення, застосовувалася різна густота розташування вимірювальних точок. Проте, кожного разу ми старалися документувати контекст в радіусі 15м довкола кургану. Таким чином можна було окреслити точні розміри курганів у двовимірній системі координат, їх межі та висоту. Густота вимірювальних точок на самих курганах визначалася залежно від їх розмірів, а також наявності структур чи об’єктів – антропогенних або природних, пов’язаних з руйнуванням насипу. У випадку грабіжницьких вкопів або слідів колишніх розкопок, густота вимірювальних точок збільшувалася з метою детального відображення характеру пошкоджень. У більшості випадків, в яких кургани мали непорушену структуру, густота вимірювань становила 4 точки (показники) на 1 м2. Вимірювання проводилися вздовж перпендикулярних трансектів від підніжжя через вершину кургану, а також кількох перпендикулярних до попередніх контртрансектів з метою деталізації. У випадку слабопомітних на місцевості (низьких) курганів додатково зчитувалися показники довкола його підніжжя – з метою визначення меж насипу. Оточення курганів, залежно від їх морфологічних особливостей, документувалися відповідно до методики вивчення рівнинних ділянок – 1 точка (показник) на 1 м², a для складного рельєфу – детальніше вимірювалися відмінні від природного вигляду поверхні елементи. Крім традиційних методів, які базувалися на використанні тахеометричних інструментів, проводилися також вимірювання в режимі RTK. Вони були використані для досліджень пам’яток в Тлумачі, Стопчатові та Буківні. Ці дослідження характеризувалися рівномірною вимірювальною сіткою зі щільністю 4 точки (показники) на 1 м². Позиціонування і записування показників відбувалося згідно критеріїв відстані – через кожні 25 см (налаштування RTK-приймача спрямовані на вимірювання згідно інтервалу віддалі).

Для всіх описуваних у цьому каталозі пам’яток виконані великомасштабні цифрові моделі рельєфу їх оточення. Вони створювалися шляхом оцифровування гіпсометричної інформації з аркушів топографічних карт масштабу 1:10 000. Оцифровування (векторизації) горизонталей та абсолютних висот точок відбувалося у програмі ArcGIS (ArcMap), у якій також були створені і записані зображення geotiff та TIN. Крім орографічних елементів також були оцифровані гідрологічні об’єкти – потоки, ріки, озера. На їх основі проводилася інтерпретація правильності локалізації могильників середньої бронзової доби. Залежно від розмірів могильника і розпорошення курганів на місцевості оцифровано різну кількість аркушів топокарт. Наприклад, для Комарова або Крилоса це було по шість аркушів, а для менших пам’яток, таких як Братківці – один.

Застосовувалося вибіркове оцифровування гіпсометричної інформації, яке залежало від висоти перетину рельєфу, визначеного на конкретному аркуші топокарти. На територіях, розташованих високо (понад 400 м н.р.м.), оцифровано горизонталі, проведені через 10 метрів. Детальніше оцифровування проведене у випадках, коли наприклад, нахил схилу не був однорідним. Ділянки, розташовані нижче 400 м н.р.м., оцифровувалися детальніше – горизонталі проводилися через 1,25 м або 2 м, що зумовлювалося висотою перетину рельєфу на даному аркуші топокарти.

Розташування курганів на місцевості отримано завдяки реєстрації насипів GPS-приймачем. Вимірювання проводилися в системі WGS84, географічні координати якої на камеральному етапі переводилися в локальні геодезичні системи (Пулково 1942, Зона V) i потім наносилися на цифрову модель рельєфу. Кургани, розташування яких було відоме лише з архівних матеріалів – рукописних планів або старих топокарт, вимагали порівняльної геореференції. Старі плани і карти реєстрували в системі Пулково 1942 на основі перебігу залізничного полотна, перетинів головних доріг або інколи – розташування дистинктивних (розпізнавальних) будівель (напр., костели або церкви). Таким чином отримано приблизні локалізації, які при дрібніших масштабах (понад 1:50 000) можна визнати як точні.

3.2 Геофізичні методи

Для проведення геофізичних досліджень на українських курганних могильниках, охоплених рамками проекту, використано магнітометричний метод. Сьогодні це одна з неруйнівних технологій, яку найчастіше використовують археологи для дослідження праісторичних пам’яток. Причини використання цього методу в археологічних дослідженнях тісно пов’язані з поняттям археомагнетизму – тобто, науковою дисципліною, яка використовує магнетизм (намагніченість) підземних об’єктів і структур, датованих різними епохами, з метою отримання важливої інформації про їх походження і хронологію (Schmidt 2007, 23; Tarling 2007, 31). Метод базується, головним чином, на вимірюванні градієнта збурень магнітного поля Землі, спричинених нагромадженням у приповерхневих шарах ґрунту матеріалів із великою ендогенною намагніченістю або з високою магнітною сприйнятливістю (Weymouth, Huggins 1985, 192; Schmidt 2007, 25; Pospieszny 2011, 72).

Особливістю, яка відрізняє магнітометрію від інших геофізичних методів, є її пасивність. У той час як інструменти, використовувані наприклад під час вимірювання електричного опору або застосування георадару для вимірювання властивостей ґрунту генерують штучні сигнали, магнітометри з цією метою використовують магнітне поле Землі (Kvamme 2006, 206). Одиницею вимірювання індукції магнітного поля, іншими словами – його напруженості всередині тіла, є нанотесла [nT] (1 нанотесла [nT] = 10-9 Тесла [T]).

Хімічні і фізичні властивості різних матеріалів впливають на диверсифікацію явища магнетизму. Завдяки цьому можна виявляти контраст (аномалії) між об’єктами, які знаходяться в ґрунті, та їх природним оточенням. Ці аномалії виникають в результаті явищ залишкової (реманентної) або індукційної намагніченості.

Перше з них має постійний ендогенний характер і виникає з природних властивостей певних матеріалів, які містять феромагнітні мінерали, наприклад, – деякі вулканічні породи, валуни на постльодовикових територіях (Sala et al. 2012, 137; Clark et al. 1992). Хоча більшість ґрунтів і порід містить від 1 дo 10 відсотків оксиду заліза, який утворює дрібні домени, спрямовані в різних напрямках, їх об’єднаний дипольний магнітний момент є незначним через взаємне анулювання доменів (Kvamme 2006, 207). У результаті піддавання об’єкта впливу високої температури, яка досягає характерної для даного матеріалу точки Кюрі, ці домени впорядковуються, випромінюючи сильніше і триваліше магнітне поле, тим самим створюючи явище термонамагніченості. Рівень намагніченості, якого матеріал досягнув у цьому випадку, не зміниться до моменту наступного нагрівання. Впорядковані домени намагніченого об’єкту відповідають орієнтації і напруженості магнітного поля Землі в момент виникнення згаданого явища (Schmidt 2007, 23; Sala et al. 2012, 139).

Прикладом такої намагніченості є металеві предмети. Через своє сучасне походження вони є небажаними об’єктами, які з’являються на археологічних пам’ятках (Pospieszny 2011, 72; Sala et al. 2012, 139). Термонамагніченості піддаються також антропогенні об’єкти – вогнища або печі, які часто є метою геофізичних пошуків на праісторичних поселеннях. Ці об’єкти, збудовані з глини що містить сполуки заліза – магнетит (Fe₃O₄) або магнеміт (ɣ-Fe₂O₃), в процесі нагрівання і охолодження можуть досягати властивої їм температури Кюрі (відповідно 578˚C i 578–675˚C) (Gaffney, Gater 2003, 37; Schmidt 2007, 23; Henry 2007). Цей процес стосується також випаленої цегли та керамічного посуду, які, за умови неглибокого залягання під поверхнею ґрунту, можуть бути зафіксовані на магнітометричному зображенні (Sala et al. 2012, 139). Навіть у випадку, коли матеріал, з якого вони виготовлені, містить лише слабо магнітний гематит (α-Fe₂O₃), піддавання його впливу високої температури може спричинити перетворення згаданого вище мінералу в феромагнітний оксид заліза. На відміну від випаленої глини, глину лише висушену також можна виявити на підсумковому магнітометричному зображенні – на основі її контрасту з оточенням, яке має вищу намагніченість (Pospieszny 2011, 72). Іншим проявом залишкової намагніченості є детрит – продукт вивітрювання порід, який нагромаджується, наприклад, у господарських ямах або могилах (Pospieszny 2011, 72), a також у вигляді сульфіду заліза на дні слабопротічних водойм (Schmidt 2007, 24; Kosterov 2007, 519). Під впливом магнітного поля Землі, намагнічені частинки впорядковуються відносно цього поля, що призводить до слабкої, але помітної аномалії.

На противагу залишковій намагніченості, індукційна намагніченість є екзогенним явищем, яке з’являється в матеріалах з підвищеною магнітною сприйнятливістю, коли вони знаходяться під дією впливу зовнішнього магнітного поля, наприклад, магнітного поля Землі (Weymouth, Huggins 1985, 194; Schmidt 2007, 24). Зумовлена таким чином намагніченість не є постійною, адже вона зникає разом із видаленням її джерела з області дії допоміжного поля. Компонентами ґрунту, які відповідають за посилення намагніченості є, передусім, оксиди заліза у вигляді мінералів: гематиту (α-Fe₂O₃), магнетиту (Fe₃O₄) та магнеміту (ɣ-Fe₂O₃), проте лише два останні істотно магнітні (Clark 2000, 100).

Природні та антропогенні чинники однаковою мірою можуть призвести до зростання магнітної сприйнятливості ґрунту, але їх інтерпретація можлива лише тоді, коли нам відома історія людської активності на даній пам’ятці. Цей процес пояснюється «ефектом Le Borgne’a» (1955; 1960), згідно з яким у результаті спалення органічної речовини (напр., випалювання рослинності або вогнищ) і, як наслідок, втрати кисню, наступає відновлення слабомагнітного гематиту (анти-феромагнетик) до магнетиту (феромагнетик). Згодом в процесі охолодження відбувається реоксидація останнього у феромагнітний магнеміт, завдяки чому зберігаються сильні магнітні властивості (Schmidt 2007, 24; Pospieszny 2011, 72). Зазвичай, верхній шар ґрунту має вищу намагніченість ніж нижчі шари, що може полегшити фіксацію об’єктів, заповнених після періоду їх використання землею, яка піддавалася впливу ґрунтотворчих процесів, антропогенних факторів або навіть сонячного проміння (Weymouth, Huggins 1985, 195; Sala et al. 2012, 137–139). З іншого боку, ділянки поверхні заповнені підґрунтям або перемішаним ґрунтовим матеріалом можуть мати нижчу намагніченість ніж гумус, який їх оточує. Тому вони також будуть помітні на отриманому магнітометричному зображенні.

Схожі реакції відновлення й окислення відбуваються за наявності безкисневих бактерій в органічній матерії, яка піддається процесам розкладу (тління), залишеній у господарських ямах або гробах (Schmidt 2007, 24; Pospieszny 2011, 72). Під час «ефекту ферментації» гематит перетворюється в магнетит, при цьому змінюється показник pH i зростає магнітна сприйнятливість (намагніченість) (Linford 2004). Детрит, який на цей раз розуміємо як дрібнофракційну, мертву органічну речовину, є також кормом для так званих магнітотактичних бактерій, які в результаті виробляють кристали магнетиту всередині своїх тіл (Fassbinder et al. 1990; Fuller, Dobson 2007, 50).

Для проведення геофізичних досліджень в рамках проекту використовувалися магнітометри двох типів. Під час першого геофізичного дослідження в Буківні у 2013 р. використовували цезієвий магнітометр.

В ході наступних експедицій використовували ферозондовий магнітометр. На відміну від протонових або цезієвих магнітометрів, ферозондові магнітометри (англ. fluxgate) фіксують не повну величину магнітного поля в даному місці, а його горизонтальну складову, вимірювану вздовж осі електромагнітного зонду (градієнт) (Schmidt 2007, 27; David et al. 2008, 21; Pospieszny 2011, 73). Оскільки такі інструменти сильно залежні від напрямку, у них використовуються вмонтовані вертикально один над одним сенсори (зонди), віддалені між собою на відстань від 0,5 дo 1 м (Weymouth, Huggins 1985, 195; David et al. 2008, 21; Sala et al. 2012, 139). Тобто, можна визнати, що в процесі вимірювань між двома зондами фіксується градієнт напруги магнітного поля (Ntм^-1), хоча більш точним буде твердження, що це є різниця індукцій магнітного поля (nT) між сенсорами (зондами) (Schmidt 2007, 27). Магнітне поле Землі однаково діє на обидва сенсори, тоді як джерела емісії магнітних полів, які знаходяться у приповерхневих шарах, сильніше впливають на нижній сенсор (Pospieszny 2011, 73). Отже, величина, записана у пам’яті приладу, – це різниця показників верхнього і нижнього зондів (Sala et al. 2012, 139).

Ферозондові магнітометри піддаються впливу так званого дрейфу (зміни нульової точки, прийнятої інструментом), спричиненого змінами температури, і у зв’язку з цим повинні часто калібруватися (Kvamme 2006, 212–213). Через добові коливання величини магнітного поля, калібрування магнітометра інколи доводиться проводити кілька разів. Наприклад, після обіду величина магнітного поля зменшується в середньому на 20–30 гамма порівняно з вищими ранковими і вечірніми показниками (Weymouth, Huggins 1985, 194).

Більшість магнітометрів, якими сьогодні користуються археологи, мають точність вимірювань від 0,3 дo 0,1 nT (Schmidt 2007, 26; David et al. 2008, 21). Завдяки цьому можемо фіксувати об’єкти такі як рови або ями, які переважно визначаються аномалією з показником 4,8 nT. Але вони також фіксують сигнали, які виходять з різних джерел залишкової намагніченості. Нагромадження об’єктів і металевих конструкцій значно обмежує використання магнітометрії на забудованих і промислових територіях (Pospieszny 2011, 72). З іншого боку, ці магнітометри можуть бути слабкими для виявлення індукційної намагніченості, пов’язаної з наявністю магнітотактичних бактерій, яка може досягати заледве 0,3 nT (Fassbinder, Irlinger 1994). Показники понад 50 nT зазвичай означають наявність металевих предметів, але також можуть випромінюватися об’єктами, які піддалися термонамагніченості, наприклад вогнищами (Schmidt 2007, 26). Варто пам’ятати про те, що сила сигналу значною мірою залежить від глибини, на якій знаходиться джерело магнітного поля.

По-різному оцінюється максимальна вертикальна величина, на яку магнітометри можуть фіксувати магнітні аномалії. У фаховій літературі наводяться глибини від близько 2 м у випадку об’єктів заповнених ґрунтом – типу ям або ровів, і навіть до 5 м – якщо йдеться про металеві предмети (Schmidt 2007, 27). Результат вимірювання залежить також від точності вимірювального приладу, чи зрештою величини намагніченості об’єкту, – тому важко встановити глибину залягання останнього. Для оцінки локалізації джерел магнітних полів більш інформативною є горизонтальне поширення аномалії – чим глибше залягають об’єкти, тим ширші сигнали вони випромінюють (Schmidt 2007, 26).

Потрібно також пам’ятати про те, що поляризація магнітного поля, a тим самим його відображення на візуалізації магнітометричного дослідження, буде відрізнятися залежно від розташування території досліджень на земній кулі (Kvamme 2006, 209). На більшості ділянок розташованих у північній півкулі, кут нахилу, при якому лінії магнітного поля Землі перетинають земну поверхню, коливаються від 55 дo 75 градусів (Mussett, Kahn 2000, 139–142). У випадку індукційної намагніченості, магнітне поле, утворюване конкретним предметом, завжди поляризоване паралельно до одночасної з ним осі магнітного поля Землі. Наслідком цього є нормальне впорядкування диполів, при якому максимально додатні знаходяться на півдні від реального розміщення об’єкта, а від’ємні – з північного боку (Weymouth, Huggins 1985, 196; Kvamme 2006, 209).

Натомість залишкова намагніченість, особливо це стосується феромагнітних мінералів у складі порід, може набирати протилежні способи поляризації. Це виникає з причин різної орієнтації магнітного поля Землі в момент їх утворення – так званих вікових міграцій магнітних полюсів (Kvamme 2006, 209). Також у випадку металевих предметів не варто розраховувати, що диполі завжди будуть розміщені відповідно до сучасного розташування полюсів. Поляризація магнітних полів, випромінюваних ними, залежить напр. від форми об’єктів, що призводить до того, що некруглі, а досить видовжені предмети часто проявляють відмінності від нормального розташування максимумів (Kvamme 2006, 221). Якщо вони не орієнтовані вздовж осі північ-південь, так як це описано вище, то маємо справу з анормальною дипольною аномалією.

Варто також зазначити, що у переважній більшості досліджені в ході проекту пам’ятки були розташовані на заліснених ділянках, що ускладнювало роботу, особливо у випадку курганів густо порослих рослинністю. Хоча час проведення досліджень був вибраний так, щоб по можливості уникнути вегетаційного періоду, не завжди вдавалося ліквідувати проблеми, які виникали в результаті природних факторів. Потрібно усвідомлювати, що густий рослинний покрив ускладнює використання вимірювальної апаратури і, як наслідок, сповільнює перебіг досліджень (Kvamme 2006, 224). Незважаючи на очищення ділянок досліджень від опалих гілок і невисоких рослин, дерева і кущі часто становили серйозні перешкоди, усування яких було неможливим через їх розміри або юридичні аспекти. Більше того, такі перешкоди можуть мати вплив на точність вимірювань – якщо оператор магнітометра не буде контролювати і регулювати положення зонду і темпу руху. У випадку коли дерево знаходиться точно на лінії трансекту, необхідно пропустити певну кількість вимірювань абo, якщо рослинний покрив надто густий, – відмовитися від цілої частини трансекту. Незважаючи на ці процедури, все ж неможливо повністю уникнути помилок, які виникають в процесі роботи. Тому отримані магнітометричні зображення інколи містять недосконалості – порожні ділянки або сильні контрасти на стику трансектів. До певної міри їх можна виправити в процесі обробки даних, однак цілком ліквідувати їх неможливо.

Певні труднощі в процесі проведення вимірювань спричиняє й сама форма кургану. Загальне правило таке – чим вищий і крутіший насип могили, тим більше помилок можемо отримати. Із підняттям по схилах великих за розмірами курганів часто пов’язане випадкове перенесення реальних показників відносно виставлених трансектів, що призводить до відсутності продовження аномалії на стику вимірювальних полігонів. Крім цього, насипи, відібрані для проведення магнітометричних досліджень, часто вже були порушені раніше – під час проведення давніших аматорських або професійних розкопок, після яких були залишені вкопи та ями. Такі результати людської активності, не пов’язаної з первинним використанням курганів, можуть значно спотворити результати вимірювань, особливо, якщо всередині них було «сміття», виговлене з металу. Як наслідок, – на багатьох рисунках відображаються сильні дипольні аномалії, які своїм фоном закривають всі інші слабші сигнали, потенційно випромінювані праісторичними об’єктами. Навіть у випадку, якщо на поверхні кургану не було помітно слідів розкопок, потрібно було зважати на наявність близько до поверхні ґрунту сучасних металевих предметів, багатих на оксиди заліза.

Під час проведення перших геофізичних досліджень на пам’ятці в Буківні був використаний цезієвий магнітометр PKM-1 (Геологоразведка, Російська Федерація). Індукція магнітного поля Землі вимірювалася з точністю до 0,001 nT. Вимірювання виконувалися в русі. Відступи між вимірювальними профілями (трансектами) становили 1 м. Знімання показників вздовж трансектів, встановлене в автоматичному режимі, становило 10 вимірів на секунду, а відстань між точками вимірювань становила 15 cм.

Під час пізніших геофізичних досліджень використано ферозондовий магнітометр Bartington Fluxgate Grad 601 з одним зондом, який має два сенсори, віддалені між собою на 1 м. Вимірювання проведено з точністю 0,1 nT (нанотесла); показники знімалися кожні 0,25 м, вздовж вимірювальних профілів, віддалених між собою на 1 м. На кількох курганах рідший рослинний покрив дозволив звузити інтервал між трансектами до 0,5 м. У переважній більшості випадків вимірювання проводили вздовж профілів орієнтованих по осі північ-південь, при цьому спрямовуючи зонд у напрямку півночі. Однак кілька разів потрібно було відмовитися від цього принципу з огляду на переважаючі локальні польові умови. На кожній з пам’яток магнітометр був калібрований в одному попередньо визначеному для цього місці, яке мало показники напруженості магнітного поля в діапазоні -1 / +1 nT.

З метою покращення якості вимірювань, зчитування показників напруженості магнітного поля проводилося так званим паралельним способом (в процесі реєстрації показників iнструмент переносився виключно в одному напрямку). На відміну від вимірювання методом «зигзаг» (реєстрація показників у двох напрямках), паралельна система вимагає проходження подвійної відстані (повернення до початкової точки). Не зважаючи на це, другий метод дозволяє уникнути помилок, які виникають через випадкові зміни швидкості руху або положення магнітометра, які проявляються зміщенням траверсів один відносно одного по осі x.

Досліджувані ділянки були поділені на однакові вимірювальні полігони (ґріди) – квадрати розмірами 10 × 10 м або 20 × 20 м. Об’єднані сторонами ґріди утворювали сітки, які покривали кургани або цілі фрагменти пам’яток. Детальний опис вимірювальних сіток та розмірів досліджених ділянок могильників був наведений під час опису кожної окремої пам’ятки.

Обробка даних, отриманих за допомогою цезієвого магнітометра, відбувалася за допомогою спеціалізованої комп’ютерної програми. Нормальна складова магнітного поля була визначена шляхом обрахунку середньої величини напруженості з оригінальних даних для кожного профілю. Ця операція дозволила уникнути впливу геомагнітної варіації. В результаті отримано карту поширення аномалій магнітного поля для досліджуваних курганів.

Для обробки і аналізу даних та картографування результатів, отриманих при використанні ферозондового магнітометра, використано програму Geoplot 3.0. З метою візуалізації результатів використано режим shaded relief plot, a для коректування роздільної здатності зображення i поліпшення контрастів між аномаліями використано наступні функції: zero mean traverse, despike, clip, low pass filter, high pass filter та interpolate.

Всі рисунки, які візуалізують результати магнітометричних вимірювань, були створені в програмі Surfer ver. 11. На усіх зображеннях, крім кількох, реальні показники напруги магнітного поля були звужені до діапазону від 5 дo -5 nT, відповідно до вказаних масштабів. Ця дія призвела до того, що всі показники величиною 5 nT або вище та -5 nT або нижче зазначені відповідно чорним або білим кольорами. У випадку, якщо діапазон +5 / -5 nT виявився недостатнім для відображення відмінностей аномалій, то масштаб звужувався до менших величин.