Разрабатываем, производим, поставляем оборудование и ПО для геофизических работ

Археология

 Задачи, связанные с обнаружением неразорвавшихся боеприпасов и фрагментов военной техники на суше.


1. Постановка задачи

Как правило, под термином «Эхо войны» подразумеваются взрывоопасные предметы (ВОП), расположенные под землёй или на дне водоёма. Они представляют опасность в основном при проведении земляных работ и строительстве. Если говорить о реалиях России, то данный термин имеет более широкий смысл и включает в себя не только ВОП, но и поиск военной техники и её фрагментов, засыпанных окопов и блиндажей, останков павших солдат. Раскопками на местах боёв, или, как ещё говорят, военной археологией, занимается поисковое движение – целые организации и отдельные энтузиасты (Рис. 1).


Рис.1 Использование магнитометра QuantumMag при проведении раскопок (слева), башня и элементы ходовой части танка Renault FT, обнаруженные с помощью магнитометра QuantumMag (справа).

Подобные объекты поиска распространены во многих европейских странах, включая Россию, на территории которых в период Второй Мировой Войны проводились широкомасштабные боевые действия. Причём, эта проблема настолько серьёзна, что во многих европейский странах, существуют специальные службы, занимающиеся поиском неразорвавшихся боеприпасов. Для определения этого рода деятельности существует специальный термин Unexploded Ordnance (UXO).

С точки зрения геофизики, эта задача, в большинстве случаев, сводится к поиску погребённых металлических объектов (Рис.2), которые исключительно контрастны по отношению к вмещающим породам по своим магнитным и электрическим свойствами. Размер этих объектов варьируется от 10-20 см (артиллерийские боеприпасы малого калибра) до нескольких метров (танки, самолёты). Масса объектов поиска, соответственно, лежит в пределах от полкилограмма до нескольких тонн.


Рис. 2 Боеприпасы и фрагменты военной техники, обнаруженные с помощью магнитометра QuantumMag на глубинах 3 – 6 м.

Поиск взрывоопасных предметов, оставшихся со времён более поздних военных конфликтов, имевших место в Азии, Африке и ряде европейских стран, имеет свои особенности, поскольку объекты поиска (как правило, ими являются противопехотные мины), зачастую не имеют крупных металлических частей и содержащееся в них взрывчатое вещество заключено в пластиковую оболочку. Соответственно, отличаются методики их поиска геофизическими методами.

Таким образом, при выборе геофизической аппаратуры, с помощью которой планируется проводить поиск боеприпасов и фрагментов техники, нужно располагать информацией о: 

  • размере объекта; 
  • материале, из которого состоит объект; 
  • возможной глубине залегания.


2. Классификация объектов и методы поиска

Как уже говорилось, объекты поиска можно разделить на металлические и неметаллические, технологии поиска которых отличаются кардинальным образом. К металлическим объектам относится подавляющее большинство боеприпасов и вся военная техника. За редким исключением речь идёт о предметах, сделанных полностью либо частично из стали (а также железа и чугуна), т.е. магнитных материалов.

Металлические объекты. Основным методом поиска погребённых металлических объектов являются металлоискатели различной конструкции (Рис. 3).



Это могут быть как простые одночастотные индукционные приборы, так и импульсные устройства. В основе первых (Рис.4А) лежит принцип частотного профилирования или зондирования (ЧЗ), в основе вторых - измерение переходного процесса, по аналогии с зондированиями становлением поля (МПП, ЗСб) (Рис.4В).


Рис.4А Принцип действия индукционных устройств
Рис.4В Принцип действия импульсных устройств

И то, и другое можно отнести к специализированной электроразведочной аппаратуре, работающей в частотной (FDEM) и временной (TDEM) областях. Эти устройства позволяют обнаруживать металлические предметы на глубине до нескольких (3-5) метров, чего, как правило, бывает достаточно для поиска неразорвавшихся боеприпасов, мелких фрагментов техники и других металлических предметов. Обнаружение боеприпасов на глубинах более 3 м с помощью металлоискателя практически невозможно.

Надо учитывать, что глубина проникновения сигнала индукционных металлоискателей зависит от его частоты и чувствительности антенны. Чем ниже частота, тем на большую глубину проникает сигнал от излучающей катушки прибора, однако, при этом падает разрешающая способность прибора и значительно растёт габарит измерительной установки. Таким образом, с помощью глубинного металлоискателя можно обнаруживать относительно крупные объекты (снаряды, бомбы), расположенные на глубине, при этом он будет нечувствительным к мелким приповерхностным объектам (гильзы, осколки, металлический мусор). Современные устройства зачастую работают на нескольких частотах, позволяя получать информацию об объектах, расположенных на разных глубинах. Также они способны разделять объекты по типу металлов (черные / цветные).

Импульсные металлоискатели, оперирующие во временной области, в целом аналогичны по спектру решаемых задач индукционным.

Конструкция, современных металлоискателей, работающих во временной и частотной областях, может быть достаточно сложной. Они могут состоять из нескольких ориентированных в разных направлениях излучателей и приёмников (Рис. 5), что вместе со специальными процедурами обработки данных позволяет достаточно точно определять тип боеприпаса и глубину его расположения (Рис.6).


Рис.5 Комплексная импульсная антенна (А) и комплекс BUD (В) на её основе – университет Беркли (Gasperikova et al. 2008)

Рис. 6 Карта значений индекса поляризуемости, построенная на основе данных, полученных комплексом BUD. Взрывоопасные металлические предметы выделяются повышенными значениями поляризуемости (Gasperikova et al. 2008)

Однако, данные устройства представляют, скорее штучные изделия, а на практике чаще используются серийные образцы, которые не требуют высокой квалификации оператора и обработчика. Получаемые с их помощью данные чаще всего позволяют лишь качественно судить о размерах и глубине залегания объекта, при этом довольно точно определяя его положение (проекцию на дневную поверхность). В большинстве случаев этого бывает достаточно.

Поскольку подавляющая часть старых боеприпасов и фрагментов техники изготовлена из железа и стали, то логично, что другим, достаточно популярным методом их поиска является магниторазведка. Современные протонные, работающие на эффекте Оверхаузера, и квантовые магнитометры обладают высочайшей чувствительностью, а последние ещё и скоростью измерений (Рис.7).


Рис.7А Оверхаузеровский магнитометр Minimag
Рис.7В Цезиевый магнитометр QuantumMag

Технически, их можно использовать и в качестве металлодетекторов для поиска мелких неглубоко залегающих объектов, однако, это, как правило, не рационально, поскольку методики съёмки и обработки данных магниторазведки сложнее тех, что применяются при работе с обычными индукционными или импульсными металлоискателями. Однако, поскольку магнитометры довольно компактны, поэтому их также можно использовать и в стеснённых условиях (плотный кустарник) там, где сложно применять довольно крупные глубинные магнитометры. Кроме того, в отличие от металлоискателей, магнитометры обладают хорошей боковой чувствительностью, что также может сделать поиски металлических объектов более эффективными.

Как правило, применение магнитометров представляется оправданным тогда, когда объекты поиска относительно велики и залегают на глубине больше 2-3 метров или являются неметаллическими, то есть неконтрастными для металлоискателей.

К первым относятся крупнокалиберные артиллерийские снаряды, авиабомбы, двигатели самолётов, танки, автомобили и артиллерийские орудия. Цели, залегающие на таких глубинах, сложно или невозможно обнаружить обычными металлодетекторами, поэтому магнитометрия востребована при поиске на глубинах до десятков метров – это особенно ценно при обследовании болот или водоёмов. Дистанция обнаружения металлического объекта напрямую зависит от его размеров и намагниченности, чем они больше, тем большую магнитную аномалию он создаёт. Кроме того, магнитная съёмка относится к пассивным методам разведки, что делает её безопасной при поиске боеприпасов, оснащённых радиовзрывателями.

Ко вторым относятся деревянные и бетонные доты, засыпанные воронки, окопы, противотанковые рвы и другие элементы полевой фортификации. В зависимости от условий они могут характеризоваться, как падением, так и повышением уровня магнитного поля.

Ещё одним методом поиска боеприпасов и фрагментов техники любого типа и размера, расположенных в интервале глубин 0 – 5 м, является георадиолокация (ГРЛ). В однородных непроводящих средах, к которым относятся, например пески, торф, лёд и другие, глубинность метода ГРЛ может существенно возрасти и достигать 10 и более метров. Напротив, в достаточно проводящих средах, таких как глины или суглинки, сигнал быстро затухает, и реальная глубинность, как правило, не превышает первых метров (Рис. 8).


Рис. 8 Зависимость разрешающей способности и глубины исследований от частоты антенны ГРЛ

Таблица 1. Зависимость разрешающей способности аппаратуры ГРЛ от частоты антенны.

Тип антенны АБ-100М АБ-250М АБ-400М АБ-700М АБ-900М АБ-1200М АБ-1700М АБ-2500М
Частота сигнала, МГц 100 250 400 700 900 1200 1700 2500
Максимальная глубина исследования (песок) 14 8 5 3 2,5 1,5 1 0,6
Разрешение по глубине, м 0,45 0,25 0,15 0,1 0,08 0,05 0,03 0,03
Размер антенны, см 93х80х28 74х46х15 50х29х14 47х16х17 29х19х14 22х17х12 20х17х14 22х18х12
Масса, кг 16 10 4,5 2,2 2,3 2,3 0,8 0,9

В общем случае, на глубинность радара влияют несколько параметров, главными из которых являются: удельная электропроводность горных пород и частота излучаемого электромагнитного импульса. Чем меньше сопротивление пород, тем быстрее затухает сигнал электромагнитной волны, излучаемый радаром. Чем выше частота импульса, тем меньше глубина исследования, но тем выше при этом разрешающая способность

По сравнению со съёмкой с помощью металлодетекторов и магнитометров, георадарная съёмка является, пожалуй, самой сложной по исполнению и обработке данных (Рис. 9).


Рис.9 Принцип работы георадара

Георадиолокация позволяет получать довольно точную информацию о глубине залегания объекта поиска и его размерах, при этом объект не обязательно должен быть металлическим, но контрастным по диэлектрической проницаемости с вмещающей средой. Для поиска неметаллических объектов (например мин в пластиковом корпусе) георадарная съёмка является самой предпочтительной из перечисленных методов. Также георадиолокация порой крайне эффективно позволяет обнаруживать подземные сооружения. К недостаткам ГРЛ можно отнести более сложные методики и обработки данных, относительно высокую стоимость оборудования (особенно комплекта с несколькими антеннами) и то, что метод является активным и может спровоцировать срабатывание электронных взрывателей современных боеприпасов. Для количественной обработки радарограмм необходимо использовать специализированное программное обеспечение, такое как Georadar-Expert, а также обладать соответствующими знаниями и навыками в области геофизики.

Для поиска крупных металлических объектов, которые являются заведомо контрастными по своим электрическим свойствам по отношению к вмещающим породам, помимо электромагнитных методов разведки, можно применять и методы сопротивлений например, электротомографию (ЭТ) и электропрофилирование с симметричной установкой (ЭП- СП). Эти методики малоэффективны при поисках объектов размером менее одного метра. Кроме того, такие работы довольно трудозатратны и требуют квалифицированного персонала для обработки данных, поэтому в реальных условиях методы сопротивлений при решении поисковых задач, применяются достаточно редко. Важно отметить, что электротомография может с успехом решать задачи поиска подземных сооружений.

Неметаллические объекты. На территории России данный тип объектов крайне редко встречается при решении задач поиска неразорвашихся боеприпасов. Подобные объекты (чаще всего это мины в деревянной или пластиковой оболочке), очень трудно поддаются обнаружению. Вероятно, оптимальным геофизическим методом их обнаружения является георадиолокация, однако, в силу специфики объектов поиска, использование георадаров осложнено возможностью подрыва боеприпаса. Современные системы обнаружения мин, могут помимо индукционного или импульсного металлоискателя включать в себя встроенный высокочастотный (более 1000 МГц) георадар, предназначенный для обнаружения объектов, расположенных на глубине до 1 м, например такой как поисковый комплект георадара ОКО-3 компании Логис – Геотех (Рис.10).


Рис.10. Поисковый комплект георадара ОКО


3. Общие требования к аппаратуре и методике работ

При выборе аппаратуры и методики работ следует учитывать размеры объектов, глубину их залегания и материал, из которого они изготовлены. Масштаб съёмки должен выбираться таким образом, чтобы шаг по профилю и расстояние между профилями (при площадной съёмке) были сопоставимы с размерами искомого объекта или аномалии от него. Так, например, при первичном поиске крупных объектов (танков и самолётов), расстояние между профилями магнитной съёмки может составлять до 10 м, в то время как при поиске авиабомб – оно не должно превышать 2-3 м. Расстояние между точками измерений (пикетами) в первом случае не должно превышать 5 м, а во втором – 1-2 м.

После предварительной локализации искомого объекта, а также при поиске более мелких объектов, залегающих вблизи поверхности, сеть наблюдений может быть сгущена вплоть до 0.5*0.5м.

Методика съёмки также может варьироваться в зависимости от поставленных задач: планируется ли составление карты аномалий (Рис. 6) или работы по извлечению/обезвреживанию объектов планируется проводить непосредственно по мере их обнаружения (Рис.2); требуется ли углублённая обработка данных или достаточно лишь качественной оценки (пример с танком в болоте и моделированием).

При составлении карт аномалий любого типа (электропроводности и магнитных) – съёмка производится по сети профилей с записью координат точек измерения, окончательная обработка данных происходит на персональном компьютере при помощи соответствующего программного обеспечения.

В режиме свободного поиска, достаточно отмечать выявленные аномалии на местности при помощи подручных средств (деревянные вешки, маркерная лента и т.д.).

Исходя из задач, можно подобрать оптимальные по соотношению цена/качество аппаратуру и программное обеспечение для обработки данных. Использование сложных и дорогих многофункциональных комплексов зачастую просто не требуется там, где можно использовать простой металлодетектор или магнитометр.

Электроразведочные комплексы и металлодетекторы

Рынок современных металлодетекторов довольно развит. Если говорить о профессиональной аппаратуре электромагнитных зондирований, то можно обратить внимание на следующие многочастотные системы: Геовизер, АЭМП-14 и МГ-1. Они являются, пожалуй, лучшими в своём классе по соотношению цена/качество. Возможность излучать сигнал на разных частотах позволяет им проводить электромагнитные зондирования на глубину до нескольких метров. К аппаратуре могут быть подсоединены высокоточные системы навигации GPS/GLONASS, что позволяет создавать детальные карты сопротивлений и с высокой точностью локализовать аномальные объекты (Рис.11 и 12).

Аппаратура для работы методом сопротивлений представлена на рынке в большом ассортименте и её подбор особых сложностей не вызывает: комплект, состоящий из измерителей MEDUSA, генератора SKAT II. Поскольку поиск боеприпасов и фрагментов техники, как правило, связан с исследованием небольших глубин (до нескольких метров), то для проведения работ не требуется мощных генераторов.

Более информативной разновидностью методов сопротивлений является метод электротомографии. Следует отметить, что при решении задач именно военной археологии данные методы не очень востребованы ввиду трудоёмкости съёмки и относительной сложности интерпретации данных, однако, они дают неплохие результаты при поисках подземных ходов, и элементов полевой фортификации.


Рис. 11 Карта аномалий электропроводности по данным электроразведки (электромагнитное профилирование); жёлтым обозначены зоны повышенной проводимости, связанные с металлическими объектами (Bowers 1999)


Рис. 12 Карта аномалий электропроводности по данным электроразведки с аппаратурой АЭМП-14 (электромагнитное зондирование) и геоэлектрическая модель среды; (по материалам ООО «КБ Электрометрии»)

Магниторазведка

Современное магниторазведочное оборудование представлено Оверхаузеровскими и квантовыми магнитометрами, такими, например, как MiniMag и QuantumMag, а также градиентометрами на их основе. Эти приборы обладают высокой чувствительностью и скоростью измерения. С его помощью можно проводить съёмку любого масштаба, а современное программное обеспечение, такое как MagGPS позволяет локализовать объекты практически любых форм и размеров (Рис. 13).


Рис. 13 Карта аномалий магнитного поля по данным магнитной съёмки. Слева – результаты работ по локализации затонувшей бронетехники (ООО "ГЕОДЕВАЙС"); справа – результаты работ на железоделательном центре в Ютландии (Смекалова и др. 2007)

Георадиолокация

Современные георадары отличаются высокой разрешающей способностью. Даже самые низкочастотные антенны, предназначенные для изучения наибольших глубин, обеспечивают достаточно высокое разрешение. Зависимость разрешающей способности аппаратуры ГРЛ от частоты антенны представлена в Таблице 1.

Параметры антенн выбираются исходя из поставленных задач – для глубинных исследований следует выбирать низкочастотные антенны, для поиска приповерхностных объектов - высокочастотные. Современные радарные системы, например МГ-250/700М позволяют проводить съёмку с сразу на двух частотах: 250 и 700 МГц.

Результаты измерений могут быть представлены в виде радарограмм (Рис. 14-А, С), площадных срезав на разных временах или глубинах (Рис.14 В), разрезах диэлектрической проницаемости или разрезах и срезах атрибутов георадарной записи.



Рис.14 Радарограмма (слева), подповерхностные срезы (справа) и границы слоёв, выделенные по результатам радарной съёмки (внизу). Фото взято из открытых источников.

Список литературы:

1. Смекалова Т., Восс О., Мельников А. // Магнитная разведка в археологии /Изд-во СПбГУ, СПб, 73 с., 2007 г.

2. Gasperikova E., Smith T., Morrison F., Becker A., Kappler K. // UXO DETECTION AND IDENTIFICATION BASED ON INTRINSIC TARGET POLARIZABILITIES - A CASE HISTORY/ Geophysics vol.74, Iss.1, 2009.

3. Bowers R., Bidwell B. // Geophysics and UXO detection / The Leading Edge vol. 18, iss.12, 1999. стр 1337-1448

4. Bertrand H., Heberlein D., Frasier J. // Report of UXO Technology Subgroup: Overview and Technology Assessment. / Institute for Defense Analyses, IDA Document D-3007, Log: H 04-001205, 56 c. 2004.