«Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Сибирский федеральный университет Естественнонаучные методы в археологии рабочая программа для студентов направления 030400 ...»

Обобщение имеющихся дендроклиматических данных для внетропических широт северного полушария привело к выводам об изменениях климата за последнюю тысячу лет, существенно отличающимся от полученных ранее и свидетельствующих о более значительной амплитуде вариаций приземной температуры воздуха (Briffa, Osborn, 2002). Новые данные выявили, в частности, наличие отчетливой фазы похолодания климата в XVII веке, что согласуется с другой информацией, особенно - с найденной по данным изменений в буровых скважинах, которые характеризуют температуру не только летом (как в случае дендроклиматического анализа), так и зимой. Сравнительное рассмотрение всей имеющейся информации по среднегодовой приземной температуре воздуха показало, что, хотя толщина древесных колец служит индикатором летней приземной температуры, дендроклиматическая информация достаточно репрезентативна и как индикатор трендов среднегодовой приземной температуры воздуха. Подобный вывод справедлив, однако, не всегда: потепление климата летом происходило в зимнем полушарии за последние полтора столетия медленнее, чем зимой. Похолодания, сходные с наблюдавшимся в XVII в., возникали также в XII, XIII и XIV столетиях, и потому последнее тысячелетие в целом было более холодным, чем предполагалось ранее. Что касается потепления, происходившего в ХХ в., то его естественнее всего рассматривать как продолжение потепления, начавшегося еще в период первых десятилетий XIX в. Важно также, что потепление, случившееся в конце X - начале XI столетий, оказалось (согласно новым данным) более существенным и достигло максимума раньше, чем это следует из предшествующих реконструкций климата. Таким образом, новые результаты анализа дендроклиматических данных свидетельствуют о том, что изменения климата за последнюю тысячу лет были более значительными, чем считалось ранее. На этом основании можно сделать вывод о необходимости дальнейшего анализа палеоклиматической информации и выявления причин вариаций приземной температуры воздуха, что имеет важное значение для оценок наиболее вероятных значений температуры в пределах интервала 1,4°-5,8°C, предсказываемого на XXI в.

В конце 1970-х годов с целью сбора и хранения информации о древесно-кольцевых хронологиях был создан Международный банк данных древесных колец (МБББК, International Tree-ring Data Bank). В настоящее время в банке хранятся данные о радиальном приросте более чем для 1000 обобщенных хронологий, более чем для 500 местообитаний имеются данные о первичных измерениях.

Древесные кольца и изотопы. Изотопы углерода-14, кислорода-18 и бериллия-10 в исследованиях изменений среды в прошлом. Гренландские льды, льды Арктики и Антарктики - летопись глобальных климатических изменений в Плейстоцене и Голоцене.

Древесные кольца и стабильные изотопы Среди всех природных архивов палеоклиматической информации древесные кольца обладают превосходным потенциалом для построения климатических реконструкций с погодичным и сезонным разрешением. Тщательно сдатированные древесно-кольцевые хронологии и стабильные изотопы углерода, кислорода и водорода в пределах временной изменчивости в изотопной композиции используется деревом в течении формирования древесины и дискриминации изотопов в оклике дерева на изменения условий окружающей среды. Выделение палеоклиматического сигнала из древесных колец возможно при простом измерении ширины годичного кольца (Fritts 1976).

Ширина кольца представляет количество древесины, сформированное в течение года, и отражает фотосинтетическую продукцию в течение сезона роста. Районы исследования, где рост деревьев лимитирован некоторым фактором, таким как температура воздуха или засуха, изменчивость ширины годичного кольца будет отражать изменчивость данного фактора, обеспечивая информацией об изменениях окружающей среды. Использование стабильных изотопов (не радиоактивных) добавляет преимущество в реконструкции климата и решении проблем связанных с построением реконструкция по ширине годичных колец деревьев. В частности, статистическое детрендирование (извлечение возрастного тренда), которое является стандартной процедурой при обработки древесно-кольцевых хронологий, для изотопных серий не требуется, так как палеклиматический сигнал содержится во всех временных частотах. Строгая механистическая часть между климатическими переменными и изотопным фракционированием может так же уменьшать статистический уровень вероятности в реконструкции климата. Изменение соотношения стабильных природных изотопов углерода и кислорода в древесине связано с реакцией растений на изменение условий внешней среды и, поэтому, несет информацию о физиологических процессах, определяющих фракционирование и распределение изотопов.

Изотопный состав годичных колец широко используется в дендроэкологии для реконструкции климатических условий в прошлом (McCaroll et al 2004, 2006). Первичные механизмы дискриминации изотопов при синтезе углеводов в процессе фотосинтеза достаточно хорошо исследованы (Farquhar et al 1982; Farquhar and Lloyd 1993, Saurer et al 1998, Barbour and Farquhar 2000, Barbour et al 2001). Причины изменения соотношения изотопов в древесине и их распределение внутри годичных колец гораздо менее понятны и требует изучения на физиологическом уровне.

Фракционирование (дискриминация) стабильных изотопов в деревьях Фракционирование (дискриминация) – процесс, который происходит в результате химических реакций разницы избытка тяжелых изотопов в субстрате от избытка тяжелых изотопов в продукте.

Главными элементами древесины являются углерод, кислород, водород, и изменчивость изотопной композиции каждого из них может потенциально обеспечить климатическим сигналом (McCaroll et al 2004, 2006). Изотопы воды проникают в дерево через корни и движутся по ксилеме к листьям (хвое), где испаряясь приводят к потере легких изотопов. Источником углерода является содержание углекислоты в атмосфере, которая поступает в листья (хвою) деревьев через устьица. Фотосинтез в листьях объединяет все эти три элемента к производству сахара, некоторые из которых транспортируются ниже флоэмы и используются для построения околостволовых клеток древесины и формируют древесное кольцо.

Углерод, например, имеет два стабильных изотопа 12С и 13С, каждый с шестью протонами, но разным количеством нейтронов - 12С с шестью, а 13С с семью, соответственно. Эти изотопы имеют почти идентичные химические свойства, но различаются по массе, позволяя физическим, химическим и биологическим процессам дискриминировать и передавать климатический сигнал. Соотношение 13С/12С или18O/16O определяется как дельта () отношение к стандартному материалу для которого изотопное соотношение известно:

где Rобразец и Rстандарт – соотношение 13С/12С или18O/16O (VPDB, VSMOW)в образце и стандарте, соответственно(Farquhar et al., 1989). VPDB, VSMOW – общепринятые международные стандарты (табл. 1) Международная таблица стандартов и их изотопные соотношения.

Название стандарта Соотношение тяжелого Принимаемые веи легкого изотопов личины Все деревья, используемые в дендроклиматологии относятся к С3группе (первый продукт фотосинтеза содержит три атома углерода). Первым источником изотопной изменчивости в годичных кольцах является разница в изотопном содержании источника воды и углекислоты, содержащейся в атмосфере (Рис. 7).

Рис. 7. Диаграмма, показывающая контроль главных факторов, оказывающих влияние на дискриминацию изотопов углерода и факторы, окружающей среды.

13С атмосферного СО2 обычно содержит -8 ppm (VPDB), листья и древесина деревьев (-20-30ppm), демонстрируя, что деревья уменьшают 13С относительно к воздуху. Дискриминация 13С в течение фиксации углерода деревьями может быть воспроизведена как:

где а – дискриминация 13СО2 в течение диффузии через устьица (-4.4ppm), b –общая дискриминация вследствие карбоксилирования (-27ppm) и ci/ca - внутриклеточная концентрация СО2 (Farquhar et al., 1982) Измерение 13С в древесных кольцах позволяет получить информацию о наличие (избытке или дефиците) воды и состоянии температурного режима. Источником воды для деревьев является почвенная влага, информация (сигнал) по осадкам в древесных кольцах будет фиксироваться при помощи изотопов воды (H и O) (Рис. 8).

Рис 8. Диаграмма, показывающая влияние факторов окружающей среды на дискриминацию изотопов кислорода.

Изотопный состав осадков определяется числом различных факторов:

испарение воды (океан), влажность воздуха (Graig 1961, Dansgaard, 1964).

Деревья берут воду из почвы, не напрямую от осадков, а вследствии фракционированияи смешивания воды из почвы с поступающей водой из осадков.

Критическими факторами являются сезонность осадков в отношении к сезону роста и глубина корневой системы деревьев. Например, деревья, с глубокой корневой системой имеют доступ к подземной воде с различным изотопным составом из почвы, и с различным накоплением данной воды в почве в течение года (Dawson, 1993; Darling, 2004). Когда корни деревьев поглащают воду – дискриминации нет, т.к. дискриминация идет в листве (хвое) посредством транспирации, что ведет к потере легких изотопов и последовательному насыщению (обогащению) 18О, который может составлять до 20% (Saurer et al., 1998).

Уровень насыщения листьев (хвои) водой выше источника воды в части транспирации ( 18Ое) и описывается следующей формулой:

где * - пропорциональная депрессия давления водяного паратяжелого Н 218О, k - дискриминация водной диффузии через устьица и границу листового слоя, 18О - содержание изотопа кислорода водяного пара в атмосфере (относительно источника воды), ea, ei - давление водяного давления (Craig and Gordon, 1965; Barbour et al., 2001), * варьирует с температурой, но насыщение листьев/хвои главным образом зависит от разницы между изотопным содержанием источника воды и водяного пара, и соотношения давления водяного пара внутри и снаружи листа.

При постоянной температуре, источник воды (почва) и атмосферный пар имеют одинаковые изотопные характеристики, степень насыщения вследствие испарения является линейной зависимостью (1- ea/ei) (Barbour et al., 2001). Эта модель объясняет изотопное обогащение водой вследствие испарения, однако обратная диффузия насыщения является противоположной при конвекции изотопически легкого источника воды к испарению, что приводит к так называемому Пеклет эффекту (Peclet effect) (Barbour and Farquhar, 2000; Barbour et al., 2001). Сахароза, сформированная в листьях (хвое) отражает изотопные характеристики с насыщением 27-33 ppm. 18O в древесных кольцах не является прямым измерением 18O источника почвенной воды вследствие возрастания испарения 18O листьев (хвои).

Измерение 18О в древесных кольцах позволяет получить информацию о температурном режиме и влажности воздуха. Возможно проявление смешанного эффекта, когда древесные кольца фиксируют информацию, как о влиянии температуры, так и влажностного (13С и 18О). Изотопы водорода достаточно сложно измерять в годичных кольцах и к настоящему времени исследований в данной области не много. Однако поведение водорода в годичных кольцах было смоделировано (Roden et al., 2000). Водород в древесину приходит из почвенной воды, следовательно, отражают величину атмосферных осадков. Когда вода достигает листьев (хвои) испарение ведет к преимущественным потерям легких изотопов, так D обогащается в листьях/хвое. Факторы дискриминации между водородом и кислородом – различны, но имеют общую модель.

Существует несколько методов подготовки древесных образцов к изотопному анализу: Фрагментарным делением по кольцу (Рис. 9) или с использованием микротома, которое позволяет проводить изотопный анализ как в древесине, так и в целлюлозе для углерода и кислорода и 2) выжигание при помощи лазера (лазерная масс-спектромктрия), которая позволяет проводить анализ только по древесине и только для углерода (Рис. 10).

Рис. 9. Фрагментарное деление по кольцу.

Фото О.В. Сидоровой В результате первого подхода (фрагментарное деление по кольцу) путем экстракции древесины возможно получение целлюлозы (Рис. 11).

Рис. 11. Целлюлоза, полученная путем экстракции из древесины.

Фото. О.В. Сидоровой Стабильные соотношения углерода, кислорода и водорода в древесине и целлюлозе измеряются на масс-спектрометре, соединенным с элементным анализатором (Saurer et al., 1997, 2004; McCarrol et al., 2004, 2006; Siegwolf and Saurer 2007). Газ является допуском к масс-спектрометру где он ионизируется. Заряженные частицы ускоряются при высоком электрическом напряжении и вылетают в трубку, где изменяют направление под действием магнитного поля относительно разности масс по направлению к Фарадеевсим пучкам (Рис. 12). Разница сопоставляемая от детектора со стандартами известна как изотопная композиция.

Рис. 12. Схема масс-спектрометра элементного анализатора.

Для изотопного анализа 13С традиционно используется стандартный газ СО2, для 18О - СО2, О2, для водорода – газ H2. Стабильные соотношения углерода в древесине возможно так жк измерять при помощи лазерной абляции (LA–C-GC–IRMS) (Schulze et al., 2004, 2007). Использование данного метода позволяет анализировать только углерод и только древесину. Но также он ускоряет процесс приготовления образцов, если исследователь нуждается в анализе только одного из выше перечисленных параметров.

Изотопные исследования продолжаются еще с начала 1970-х годов.

Получены изотопные хронологии для большинства Европейских районов в рамках программ ISONET, CARBOMONT (Anderson et al., 1998; Borella et al., 1998; McCarrol et al., 2004; Treydte et al., 2006; Скомаркова и др., 2006; Ваганов и др., 2006, 2007; Boettger et al., 2007), районов Северной и Южной Америки (Leavitt et al., 1989, 2001) и все больше исследований проводится для северных и южных районов Евразии (Arneth et al., 2002; Saurer et al., 2002;

Kagawa et al., 2003; Schulze et al., 2004; Barber et al., 2004, Николаев и др., 2007; Сидорова и др., 2007, Кнорре и др., 2007). Чаще всего в исследованиях анализируется углерод и реже кислород (Saurer et al., 2002; Сидорова и др., 2007; Кнорре и др., 2007).

В настоящее время в рамках программы MILLENNIUM участвует более 39 университетов и научно-исследовательских институтов, которые активно проводят изотопные исследования по различным косвенным источникам информации, в том числе по древесно-кольцевым хронологиям для последнего тысячелетия, с целью ответа на вопрос: “Является ли современное потепление экстраординарным за последнее тысячелетие для Европы?” Сочетание классической дендрохронологии с использованием изотопного анализа позволяет глубже понять физиологические механизмы и реакции деревьев на изменением окружающей среды как в настоящем, так и в прошлом, позволяя улучшать качество климатических реконструкций.

Изотопы углерода-14, кислорода-18 и бериллия-10 в исследованиях изменений среды в прошлом В палеоклиматических исследованиях применяются как стабильные изотопы (13С, 18О), так и радиоактивные 14С, 10Be. Космический радиоактивный 14C образуется в атмосфере главным образом за счет взаимодействия космических лучей и азота (Lal and Peters, 1967). Поток галактических космических лучей корректируется гео- и гелиомагнитным экранированием.

Данные 14C и других радиоактивных изотопов обеспечивают информацией об изменчивости солнечной активности и интенсивности геомагнитных полей в прошлом. После окисления до 14CO2, радиоуглерод идет на образование глобального цикла углерода и обмену между атмосферой, биосферой и океаном. Океан, накапливает 14C, играя огромную роль в экосистеме. Анализ прошлых атмосферных концентраций 14C обеспечивает возможность выявления изменений в цикле углерода с изменениями океанического насыщения.

Это вызывает интерес для климатических исследований для перехода от последней ледниковой эпохи к голоцену.

Записи 10Be к настоящему времени покрывают временной интервал от 0 до 50 тысяч лет с отдельными прерываниями. Эти данные получены на основе анализа данных Гренландских ледовых кернов (расположенные друг от друга на расстоянии 30 км.) (Рис. 13).

Рис.13 Концентрация 10Be, измеренная в ледовых кернах, обобщенных с климатической информацией, содержащейся 18O.

(a) 10Be, данные из ледовых кернов GRIP (черная линия) (Yiou et al., 1997; Raisbeck et al., 2001) включающие более 1500 предыдущих не опубликованных измерений 10Be.

(b) данные по GISP2 (Гренландские ледовые керны – проект 2) покрывают временной диапазон 3300–8000 BP и 9300–37,500 BP (серая линия) (Finkel et al., 1997).

(c) концентрация 10Be (в) GRIP 18O (Dansgaard et al., 1993).

(d) потоки 10Be.

Как известно, одной из причин климатических изменений в прошлом является солнечная активность (солнечная радиация). Построение реконструкции солнечной активности возможно при помощи 14С и 10Be, которые показывают хорошую согласованность в оценках прошлых магнитных солнечных модуляций радионуклеидной продукции. Нередко возникают проблемы в реконструкциях солнечной активности, вследствие двойного сигнала – климатического и геомагнитного. Так, в своих работах Bard et al. (2000) сообщает, что солнечная активность в 1200 AD была примерно такой же или даже выше чем сегодня. Usoskin et al., (2003), полагает что солнечная активность достигла максимума за последние 60 лет, который является значительно выше чем за последние тысячелетие, Solanki et al., (2004), показывает, что уровень солнечной активности за последние 70 лет не превышает уровень последних 8 тысяч лет. Для усовершенствования и адекватного представления об изменениях солнечной радиации в прошлом были проанализированы данные по 14С зафиксированные в древесных кольцах, и 10Be среднегодовые данные из Антарктических и Гренландских ледовых кернов.

Сопоставленные данные между 10Be и 14С указывает, что ледовые керны имеют ошибку до 20 лет, в большинстве же случаев величина ошибки невелика (Muscheler et al., 2007) (Рис. 14).

Рис. 14. Сопоставление функции солнечной модуляции основанной на данных 10Be (серая кривая) и 14С (черная кривая).

Гренландские льды, льды Арктики и Антарктики - летопись глобальных климатических изменений в Плейстоцене и Голоцене.

Для реконструкции климатических изменений (температура воздуха, осадки) могут быть использованы различные косвенные источники информации, имеющие разное временное разрешение и протяженность, например, древесные кольца, озерные отложения и ледниковые керны. Хотя ледниковые керны имеют меньшее временное разрешение, чем древесные кольца, они несут в себе уникальную информацию о прошлых климатических изменениях за значительный период - последние 200 тысяч лет. Ледовые керны содержат глобальный климатический сигнал об изменениях окружающей среды и позволяют исследовать содержание газов, стабильных изотопов, химических элементов, радиоактивных изотопов.

Гренландский ледниковый пласт проект 2 (GISP2) успешно был реализован в центральной Гренландии (72° 60N; 38° 50W; 3200 m. a.s.l.) (Mayewski et al., 1994) (Рис. 15).

Рис. 15. Карта мест расположения ледовых кернов.

Фото. Ледовый керн (http://www.gisp2.sr.unh.edu).

Так, например, по содержанию сульфатов в слоях ледовых колонок можно фиксировать крупные вулканические извержения, которые сопровождались выбросами сульфатов в стратосферу, повлекшими за собой нарушение теплового баланса, уменьшение солнечной радиации и соответственно похолодание (Рис. 16).

Как было установлено ранее (Sidorova et al., 2005) данная информация так же четко фиксируется в данных по ширине годичных колец, но к сожалению жизнь деревьев ограничена во времени и они не дают возможность продлить хронологии до 110 тысяч лет назад, в отличие от ледовых кернов.

Рис. 16. Временное распределение содержание сульфатов в слоях ледового керна GISP 2, сопряженное с проявлением мощных вулканических извержений.

В Антарктике (78 28 с.ш., 106 48 в.д.) был пробурен ледовый керн “Восток” 3,623 м (Рис. 17).

Рис. 17 Месторасположение станции «Восток»

Анализ данного ледникового керна обеспечивает информацией об изменениях климата за последние 450 000 лет по содержанию СO 2, CH 4 и кислорода в атмосфере. Климатические изменения показывают четыре главных цикла с периодичностью 100 тысяч, 40 тысяч и 20 тысяч лет. В течение этих четырех циклов характеристики стабильны, с температурной амплитудой 12°C и 8°C в тропосфере. Между холодными (ледниковыми) и теплыми (межледниковыми) периодами содержание концентрации СО2 в атмосфере варьировалось между 180 ppmv (частиц на миллион в объеме) и 280 ppmv, и между 350 ppbv (частиц на биллион в объеме) и 700 ppbv для CH4 (Petit et al., 1999; IPCC 2007). Относительно этих данных в межледниковый теплый период концентрация СО 2 возрастала до 300 ppmv, а концентрация метана до 750 ppbv, в то время, как современные исследования свидетельствуют об увеличении концентрации СО2 в атмосфере до 360 ppmv, а метана до 1, ppbv, что является беспрецедентным для последних 420 тысяч лет (Рис. 18) (IPCC 2007).

Рис.18. Концентрация и излучающее воздействие (a) CO2, (b) CH4, (c) оксида азота (N2O), и (d) скорость изменения их комбинации за последние 20 тысяч лет, реконструированные по данным Антарктических и Гренландских льдов и прямые атмосферные измерения http://www.cmdl.noaa.gov/.

Согласно IPCC отчету (2007) (Межправительственная группа экспертов по изменению климата) данные ледовых кернов свидетельствуют о беспрецедентном повышении температуры воздуха, а также содержания в атмосфере углекислого газа и метана за последние 20 тысяч лет.

Раздел 3. Спорово-пыльцевой анализ История развития метода спорового анализа, применение метода при изучении третичных и мезозойских отложений. Морфология спор и пыльцы растений, остатки которых наиболее часто встречаются в ископаемом состоянии. Границы применения палинологии при археологических реконструкциях. Связь образцов для палинологических исследований с культурными слоями археологического памятника. Примеры использования метода в археологии.

Наука о пыльце возникла достаточно давно. Историю этой науки можно разделить на три крупных этапа:

изучение морфологии пыльцы, преимущественно рецентной;

развитие собственно пыльцевого метода с целью применения его в практической деятельности (геологии, торфоведении);

с 1930-х годов оба направления продолжают развиваться в контакте друг с другом. На этом этапе пыльцевой метод применяется при различных геологических работах, изучении истории развития флоры и растительности, различных вопросов климатологии и т.д.

Изучение морфологии пыльцы началось в конце XVII в. – со времени изобретения микроскопа. В конце XVII и в течение XVIII-XIX вв. ряд ученых (Камерариус, Пуркинье, Фишер и др.) изучал морфологическое строение пыльцы различных растений, связи между формой пыльцы и систематическим положением растения и др. В первой половине XIX в. русский академик К. Фрицше установил, что возникновение различных форм у пыльцы подчиняется определенным законам и более высоко организованные растения также имеют более высоко организованную пыльцу. Им была создана своя классификация пыльцевых зерен.

Из работ XX в. необходимо отметить исследования Д.А. Герасимова, который занимался изучением современной и ископаемой пыльцы Larix и Pinus cembra. Им было установлено, какую форму принимает ископаемая пыльца лиственницы и насколько она отличается от живой пыльцы. В 1935 г.

выходит работа Р. Вудгауза о структуре пыльцевых зерен. Основная часть работы посвящается классификации и описанию пыльцевых зерен живых растений с ключами для их определения. Особого внимания заслуживают работы Л.А. Куприяновой (1940 г., 1945 г.), посвященные исследованию морфологии живой пыльцы розоцветных и однодольных, а также С.В. Кац (1943), которая разработала методы распознавания видов по пыльце.

Необходимо отметить, что почти все вышеперечисленные исследователи дают рисунки свежей пыльцы, взятой у живых растений. Однако ископаемая пыльца мало похожа на свежую, поэтому пользоваться определителями Л.А. Куприяновой и Р. Вудгауза не представлялось возможным. Возможность определения ископаемой пыльцы и сравнения ее с пыльцой ныне живущих растений появилась позже – в 1950-е гг., благодаря работам М. Кореневой, С.Н. Тюремнова, Г. Эрдтмана и др. В результате работ по исследованию пыльцы на протяжении вышеназванных этапов создается метод, который одними исследователями называется методом спорового анализа, другими – методом пыльцевого анализа. В настоящее время следует говорить о едином методе спорово-пыльцевого анализа.

Наука о пыльце и спорах является самостоятельной ветвью палеоботаники. Этот метод получил название спорового в результате применения его к изучению отложений, во время накопления которых или доминировали, или были в абсолютном большинстве архегониаты. Пыльцевым же метод был назван при изучении тех осадков, во время накопления которых доминировали уже цветковые растения.

В настоящее время метод пыльцевого анализа имеет применение в следующих областях:

1) стратиграфическом расчленении торфяников;

2) расчленении континентальных отложений мезозоя и кайнозоя;

3) истории флоры и растительности;

4) археологии.

Вначале пыльцевой метод усиленно разрабатывался в связи с вопросами болотоведения, необходимостью расчленения торфяных залежей. Этими вопросами занимались В.С. Доктуровский, Н.Я. Кац, С.Н. Тюремнов, М.И.

Нейштадт и др. Позже пыльцевой анализ начинает использоваться для расчленения рыхлых толщ при исследованиях, связанных с поисками россыпных месторождений.

Теоретическими вопросами, связанными с дальностью заноса, скоростью и количеством выпадения пыльцы занимались В.Н. Сукачев с сотрудниками (З. Долгая, Е.А. Смирнова и др.). В.П. Гричук, Е.Д. Заклинская и группа сотрудников пыльцевых лабораторий Института географии и Института геологических наук АН СССР занимались вопросами соотношения пыльцевых комплексов, встреченных на поверхности почвенных горизонтов или торфяников с современным составом растительных группировок этих районов. Целью этих исследований было выяснение степени достоверности пыльцевого метода и определение величины поправочных коэффициентов при использовании результатов пыльцевого анализа.

Большой вклад в изучение морфологии ископаемой и современной пыльцы, в разработку эталонных пыльцевых спектров для различных по возрасту мезозойских и кайнозойских осадков различных районов бывшего СССР внесла Палеоботаническая лаборатория Всесоюзного геологического института (И.М. Покровская, А.Н. Гладкова, Н.К. Стельмак и др.). В настоящее время метод спорово-пыльцевого анализа общепризнан и зарекомендовал себя, как отмечалось ранее, в самых разных областях как у нас в стране, так и за рубежом. В основу интерпретации данных метода споровопыльцевого анализа положен методический принцип соответствия состава растительности и продуцируемых ею спорово-пыльцевых спектров, коллекторами которых являются морские, континентальные, озерные, болотные отложения.

Реконструкцию растительности прошлого и анализ флоры палинологи проводят на основе выявления и сопоставления спорово-пыльцевых спектров. В.П. Гричук дал следующую формулировку этого понятия. Под спорово-пыльцевым спектром понимается совокупность пыльцы и спор, как выпадающих на поверхность современной почвы, так и обнаруживаемых в ископаемом состоянии, выраженную в виде процентного соотношения составляющих.

Применение метода при изучении третичных и мезозойский отложений Широкое и быстрое внедрение палинологического метода в изучение палеозойских, мезозойских и кайнозойских отложений тесно связано с расчленением и корреляцией континентальных образований, включающих промышленные запасы каменных и бурых углей, нефти, газа и минерального сырья.

Первоочередной задачей при изучении мезозойских и кайнозойских осадочных «немых» толщ при помощи спорово-пыльцевого метода является определение руководящих спорово-пыльцевых комплексов в отложениях различного возраста, совершенно точно датированных фауной. Обычно мелководные и прибрежно-морские осадки содержат достаточное количество пыльцы.

Необходимо отметить, что делать выводы о возрасте континентальных осадков только на основании изучения их литологии, что часто практикуется, не представляется возможным, т.к. в течение различных геологических эпох могли накапливаться литологически сходные между собой континентальные осадки. Т.е., континентальный цикл осадконакопления при довольно близких климатических условиях будет более или менее одним и тем же в различные геологические эпохи.

Первые упоминания о находках пыльцы и спор в палеозойских и мезозойских отложениях появляются в 1930-е годы. Начало систематических исследований спор, наряду с изучением петрографического состава углей в угольных бассейнах, сопровождалось видовыми описаниями, иллюстрациями и сравнениями с составом спор в угольных пластах различных бассейнов.

Также в это время много внимания уделялось совершенствованию методики отбора и подготовке проб из углей и углистых пород для целей спорового анализа.

На современном этапе развития палинологии не только продолжается накопление материалов и практическое применение палинологии в геологических исследованиях, но и делаются попытки использовать результаты таких исследований для решения теоретических проблем палеофлористики и биостратиграфии. Например, в палеозойских и мезозойских отложениях Сибири и Дальнего Востока описаны споры и пыльца, наиболее интересные в стратиграфическом отношении и выделяющиеся своеобразной морфологией – споры турмы Hilates, широко известные в начале и середине мелового периода на многих континентах, пыльца Asteropollis и однобороздных Clavatipollenites, связываемые с древнейшими представителями покрытосеменных растений.

Климатические условия, в которых существовали древние растения, палинологи пытаются восстанавливать, отыскивая современные аналоги и учитывая их требования к окружающей среде. Выяснение генетических связей пыльцы и спор ископаемых растений с современными осуществляется сравнением способов формирования микроспор в тетрадах, распределения апертур и общего плана строения.

В настоящее время данные палинологии широко используются при реконструкции растительности и оценке палеоклиматов. В настоящее время составлены карты растительности для всей территории Западной Сибири по временным срезам всего позднего кайнозоя. Установлено, что на протяжении четвертичного периода были глубокие и неоднократные похолодания климата. В холодные эпохи среднегодовые температуры воздуха опускались ниже современных на 7-11оС. Огромные пространства Сибири были заняты редколесьем и безлесными растительными сообществами с долинными еловыми лесами. В теплые эпохи растительность была близка к современной.

На рис. 19 показано строение пыльцы ели в современных и четвертичных отложениях.

Рис. 19. Сем. Pinaceae. 1 – пыльца ели в современных и 2 – в четвертичных отложениях Морфология пыльцы и спор Пыльца современных растений состоит из множества малых пыльцевых зерен. Каждое пыльцевое зерно (п.з.) состоит из цитоплазмы, окруженной многослойной оболочкой – спородермой. П.з. обычно образуется в количестве 4 (в тетрадах) из материнских клеток. Для зрелых п.з. покрытосеменных характерны сравнительно небольшой размер, разнообразная форма, многослойная оболочка, отсутствие периспория, наличие различных по строению и форме апертур (борозд, пор и др.), расположенных экваториально, полярно или равномерно по всей поверхности.

В связи со способом рассеивания или переноса пыльца растений имеет специфические черты. Например, п.з. ветроопыляемых, анемофильных растений средних размеров (от 20 до 50 мкм), сухие, лишены скульптуры, большей частью имеют поровые апертуры и вырабатываются растениями в большом количестве (Betula, Popolus).

П.з. насекомоопыляемых, энтомофильных растений обычно более крупные, иногда достигают 250 мкм (Cucurbita), или наоборот, очень мелкие (от 2 до 5 мкм), клейкие, имеют заметную скульптуру и вырабатываются растениями в сравнительно небольшом количестве.

П.з. гидрофильных растений почти совсем лишены экзины, имеют продолговатую или нитевидную форму; их удельный вес одинаков с удельным весом воды (Potamogeton).

П.з. зоофильных растений (опыляемых птицами, летучими мышами) обычно довольно крупные, сухие, со слабо заметной скульптурой и крупными порами. Вырабатываются растениями в большом количестве.

П.з. одного и того же вида почти всегда одинаковые, т.е. мономорфные.

Если у экземпляров одного и того же вида встречается крупная или совершенно различного строения, то она называется диморфной.

Характеристика пыльцы видов обычно дается в следующем порядке:

1) одиночные или собранные пыльцевые зерна (монады, тетрады и др.);

2) полярность;

3) тип пыльцевого зерна;

5) очертания;

6) длина полярной оси и экваториального диаметра в микронах;

7) строение апертур (простые или сложные, строение мембраны, край);

8) межапертурные участки поверхности;

9) экзина (толщина в микронах, слои, их структура, скульптура, текстура).

Обычно зрелые п.з. одиночные и существуют в виде монад, но некоторые остаются и после созревания в тетрадах, диадах, полиадах или полилиниях. Собранные п.з. большей частью встречаются в тетрадах, гораздо реже в другого рода соединениях.

Пыльцевые зерна образуются в материнских тетрадах. Часть поверхности п.з., обращенная к центру тетрады, называется проксимальной поверхностью. Другая ее часть, обращенная наружу от центра тетрады – дистальной.

Центры проксимальной и дистальной поверхностей называются полюсами.

Воображаемая линия, соединяющая проксимальный и дистальный полюсы и проходящая через центр материнской тетрады, называется полярной осью.

Полярная ось не всегда является наибольшей осью. Так, например, у однодольных полярная ось бывает в 2-4 раза короче экваториального диаметра или экваториальной оси.

П.з. чаще бывают симметричными (Salix, Valeriana), реже – ассиметричными (Allium).

Форма п.з. зависит от соотношения между полярной осью и экваториальным диаметром. Если полярная ось равна экваториальному диаметру, то форма сфероидальная. Если полярная ось короче экваториального диаметра, то форма сплющено-сфероидальная. Ели экваториальный диаметр короче полярной оси, форма эллипсоидальная (Рис. 20).

Рис. 20. Форма пыльцевых зерен. 1 – сфероидальная; 2, 3 – эллипсоидальная;

2а, 3а – сплющено сфероидальная Очертания п.з. могут быть различными в зависимости от типа симметрии, формы, а также от положения зерен в препарате – полярного или экваториального. Радиальносимметричные п.з., находящиеся в полярном положении, имеют округлое, угловатое или лопастное строение (рис. 21).

Рис. 21. Очертания полярных проекций радиальносимметричных пыльцевых зерен.

а, г, ж, к – округлоугловатые; б, д, з, л, о – угловатые; п – лопастные; н – округлые Радиальносимметричные п.з., которые находятся в препарате в экваториальной проекции, более разнообразны и имеют эллиптическое, ромбическое, округлое, прямоугольное очертания.

Группы размеров п.з. были установлены Эрдтманом в 1945 г. с учетом длины большой оси. Шипы и другие скульптурные образования на поверхности не включены в общий расчет и измеряются отдельно.

1) П.з. очень мелкие – меньше 10 мкм.

2) П.з. мелкие – от 10 до 25 мкм.

3) П.з. средние – от 25 до 50 мкм.

4) П.з. крупные – от 50 до 100 мкм.

5) П.з. очень крупные – больше 200 мкм.

Наиболее обычные размеры п.з. – во второй и третьей группах.

Апертура – тонкая перфорированная часть поверхности п.з. или споры, которая может служить местом выхода пыльцевой трубки или клеточного содержимого. Апертуры бывают простые (щели, борозды, поры) и сложные (бороздно-поровые и др.) (Рис. 22). Типы пыльцевых зерен по характеру апертур приведены на Рис. 23.

Рис. 22.а Простые апертуры. а - Рис. 22.б Сложные апертуры. а - борозда, б – щель, б - поры, в - борозда, г - руги.

Арки – это утолщенные изогнутые полосы экзины, попарно соединяющиеся у апертур, большей частью пор. Арки имеют большую или меньшую кривизну изгиба. Арки наиболее отчетливо выражены у п.з. Alnus.

Спородерма – многослойная, чрезвычайно прочная оболочка пыльцы и спор. Наружный ее слой называется периспорий (имеется только у спор папоротников и мхов). Внутренний слой спородермы – интина, которая легко разрушается под действием кислот и щелочей. Самый верхний слой – экзина, очень стойкая, нерастворимая в кислотах и щелочах.

Рис. 23. Типы пыльцевых зерен.

1 – дистально-1-бороздный; 2 – проксимально-1-поровый; 3 – 3-бороздный; 4 – 3бороздно-поровый; 5 –3-бороздно-оровый; 6 – разнобороздный; 7 – многобороздный; 8 – многобороздно-поровый; 9 – многобороздно-оровый; 10 слитнобороздный; 11 – спиральнобороздный; 12 – 3-бороздно-оровый; 13 – 3-поровый атриумовый; 14 – многопоровый, поры простые; 15 – многопоровый, поры ободковые; 16 – многобороздковый; 17 – многобороздково-оровый; 18 – лептомный; 19 – безапертурный Скульптура определяется различным расположением скульптурных элементов на поверхности п.з. Скульптура может быть образована за счет скульптурных элементов надпокрова, покрова и др. Гладкие, без заметной скульптуры п.з., характерны для ветроопыляемых растений, тогда как п.з. с отчетливо выраженной скульптурой присущи пыльце насекомоопыляемых растений. Наиболее широко распространенные виды скульптур приведены на Рис. 24.

Текстура – рисунок поверхности п.з., обусловленный внутренней структурой, т.е. расположением структурных элементов под покровом. Представлен несколькими типами: внутрисетчатый, пятнистый, внутриморщинистый и др.

Рис. 24. Схематическое изображение скульптурных и текстурных образований экзины Морфология пыльцы и спор растений, остатки которых наиболее часто встречаются в ископаемом состоянии.

Подрод Haploxylon Koehne Pinus sibirica ( R u p r. ) M a y r. – Сибирский кедр Длина п.з. 60-72 мкм; средняя – 66,7 мкм. Высота тела – 36-48 мкм;

средняя – 42,1 мкм. Контуры воздушных мешков почти сливаются с контурами тела, мешки в очертании не превышают полуокружности, линия прикрепления к телу равна их диаметру.

Воздушные мешки прикрепляются к телу с боков. Рисунок воздушных мешков состоит из крупных ячеек. Гребень широкий, по краю волнистый (Рис. 25) Рис. 25. Общий вид пыльцевого зерна кедра сибирского РОД LARIX M i l l e r – Лиственница Диаметр п.з. - 75-96 мкм.

П.з. сфероидальной формы, в очертании округлые, покрыты тонкой, гладкой двухслойной экзиной и толстой интиной, которая примерно в три раза превышает толщину экзины. Тяжелые и ветром далеко не разносятся.

Воздушные мешки, поры и борозды отсутствуют. Цвет после обработки щелочью желтый.

В ископаемом состоянии обычно бывают сильно деформированы: смяты или разорваны (рис. 26).

Рис. 26. Общий вид пыльцевых зерен лиственницы. 1-2 – даурской; 3 – сибирской РОД BETULA L. – Береза B. pendula Roth. (B. verrucosa Ehrh.) – Б. бородавчатая П.з. – поровые, сплющено шаровидные; в очертании с полюса округлоугольные или почти округлые, с экватора широкоэллиптические; полярная ось – 22,1 мкм, экваториальная ось – 28,8 мкм. Поры слабо выступающие над общей поверхностью зерен, 7,5-8,5 мкм в диаметре с ободком, высота поры 3,4 мкм, поровое отверстие округлое или овальное, камера поры узкая, щелевидная. Экзина 1,7 мкм; скульптура очень мелкая, бугорчатая или неясноугловатоморщинистая, арки слабо заметные или заметные. Цвет зерен желтоватый. (Рис. 27).

Рис. 27. Поры и пыльцевые зерна березы бородавчатой. 1 – поры пыльцевого зерна;

2-3 – общий вид пыльцевых зерен РОД LEDUM L. – Багульник L. palustre L. – Б. болотный П.з. в округло-треугольных, тетраэдрических тетрадах, 37,2-38,4 мкм в диаметре (рис. 28). Отдельные п.з. 3-бороздно-поровые, шаровидные; в очертании округлые, 27,6-28,8 мкм в диаметре. Борозды короткие, 12,0-14,4 мкм, с неровными краями и заостренным концом, края борозд утолщенные. Поры округлые, слабо заметные. Цвет зерен желтый.

Рис. 28. Общий вид пыльцевого зерна багульника болотного Границы применения палинологии при археологических реконструкциях Существенными компонентами природы, с которыми человек на протяжении тысячелетий был в тесном взаимодействии, являются растительность и климат.

Благодаря палинологическому анализу, как наиболее эффективному в реконструкции среды обитания человека, удается реконструировать историю освоения человеком конкретной территории.

Тип пыльцевой диаграммы, детальность отбора проб на анализ (через см в культурном слое и через 10 см в подстилающих осадках) дают возможность получить информацию по изменению флоры и растительности во времени. В диаграмму, дополнительно к содержанию спор и пыльцы голоценового возраста, вводят сведения по печеночникам, наполнению осадков пеплом (количество пепла в осадках, аккумуляция которых сопряжена с условиями ксерофитизации климата в 10-100 раз превышает наличие его в современном поверхностном дерново-гумусовом горизонте), встречаемости клещей и дочетвертичной пыльцы и спор.

Основным моментом в методике палеогеографических реконструкций являются доказательства ритмичных изменений в природе голоцена (Шнитников, 1957; Будыко, 1980 и др.). Из широко практикуемых доказательств чередования эпох увлажнения с эпохами ксерофитизации климата прежде всего имеются в виду особенности формирования поверхностей террас и береговых склонов, чередование перевеянных озерных отложений с гумусовыми горизонтами палеопочв.

Для аргументации изменчивости природных факторов возможности палинологии, как показал опыт работ, большие. Так, например, эпохи увлажнения можно устанавливать: а) по обилию в осадках пыльцы и спор; б) по закономерному ходу кривых пыльцы доминантов и субдоминантов среди древесных пород и сопутствующих им кустарников, трав и кустарничков. Эпохи ксерофитизации реконструируются: а) по несравненно меньшей, подчас незначительной, концентрации пыльцы в осадках; б) по резкому сокращению количества пыльцы интразональной растительности, появлению и преобладанию пыльцы растений, быстро осваивающих гари (осина, береза, ольха серая, вереск обыкновенный, иван-чай, некоторые злаковые и др.); в) по незначительному количеству или отсутствию спор; г) по преобладанию среди пыльцы зерен, претерпевших длительное воздействие высоких температур (зерна производят впечатление «обжаренных», цвет коричневый, бурый и красно-бурый, зерна «скукоженные», размер в 1,5-2,0 раза меньше обычного, диагностические признаки утрачены). В подобном случае пепел настолько обилен, что забивает все поле зрения при пыльцевом анализе.

Степень наполнения осадков пыльцой и пеплом в сочетании с данными по геологии и изменениям растительности позволяет судить не только о времени, но и о продолжительности ксерофитизации климата. По степени наполнения пеплом культурного слоя можно определить его мощность независимо от археологических данных.

Присутствие пыльцы растений вторичных местообитаний и пыльцы лугового разнотравья и водных растений в культурном слое стоянок, размещенных на низких береговых уровнях, но содержащих разновременные археологические комплексы, дает основание делать вывод о периодическом заселении участков, жизнь на которых могла существовать только в межень.

Таким образом, тщательные палинологические исследования, опирающиеся на геологическое строение террас, дают одно из объяснений наличия смешанных комплексов на поселениях. О временном или окончательном уходе населения со стоянок можно судить по вспышкам в процентном составе пыльцы групп трав и кустарничков, особенно растений вторичных местообитаний. Если в спектрах появляется большое количество влаголюбов, например, осоковых, есть основание полагать, что причиной ухода людей со стоянок был подъем уровня грунтовых вод.

Критерием для вычленения стоянок, предназначенных для ритуальных отправлений, может быть: а) обилие пыльцы группы трав в интервалах, соответствующих интервалам ухода населения со стоянок; б) доминирование в их составе рудеральных видов, спутников жилища человека; в) большое количество в культурном слое сильно прокаленных и недоразвитых (попавших из нераскрытых пыльников) зерен пыльцы вообще и вереска обыкновенного в частности; г) высокие количественные оценки гумуса, азота, фосфора и др.

Таким образом, реконструкция природной среды на разных этапах существования человека на определенной территории основывается не только на геолого-геоморфологическом строении территории, но и на большом спектре палинологических и других определений.

В качестве примера приведем краткую характеристику растительности в окрестностях Куртакского археологического района, расположенного на левом берегу Красноярского водохранилища, реконструированную при помощи спорово-пыльцевого анализа выявленных слоев.

В береговом обнажении сделан раскоп с условным названием Каменный лог I, который вскрыл 19 слоев – современных и четвертичных (рис. 29, 12). Вскрытые отложения разреза подразделяются на три части: голоценовую (1, 2, 3 слой), плейстоценовую (с 4 по 17) и кору выветривания (слои 18-19).

Из 150 образцов, отобранных по всему разрезу на спорово-пыльцевой анализ, не все образцы оказались пыльценосными. Представительное количество пыльцы и спор получено лишь из 19 образцов.

Установлено, что в самом нижнем спектре значительно преобладает пыльца деревьев, спор оказалось всего 5%, пыльцы трав нет. Древесная растительность представлена пыльцой сосны (более 70%) и темнохвойных пород: ели и пихты (по 12%). Такой палинологический спектр характеризует распространение в это время сосново-елово-пихтовых лесов южно-таежного облика.

Рис. 29. Разрез Каменный лог 1. Строение слоев 13-18. 1 – контакт слоев 14 и 15; – кротовины; 3 – гумусированные прослои между чешуями каштанового суглинка в слое 13; 4 – номера слоев; 5 – скопления древесных угольков.

Рис. 30. Разрез Каменный лог. Строение слоев 14-18. 1 – контакт слоев 15-18. 2 – кротовины; 3 – щебенки алевролитов карбона; 4 – номера слоев.

Уже на 5 см выше палиноспектр совсем другого облика. В нем пыльцы трав и древесных пород почти поровну. Установлено, что в древостое доминировали сосна и береза с небольшим участием кедра, пихты и ели. Более 40% спектра приходится на пыльцу трав: присутствуют семейства зонтичных, маревых, злаков, губоцветных, гвоздичных и др. Из споровых найдены споры многоножковых, папоротников и гроздовника. Такой палинологический спектр свидетельствует о существовании на этой территории луговозлаково-разнотравных степей, а в горах южной Сибири – доминирование сосново-березовых лесов.

Раздел 4. Реставрационные методы в археологии Виды проводимых реставрационных работ. Область применения. Способы сохранения археологического материала в полевых условиях.

Полевая реставрация и консервация археологических материалов.

Реставрация – от латинского restauratio – восстановление. В широком смысле реставрация охватывает все виды работ, направленных как на сохранение произведения искусства или памятника архитектуры, так и на максимально возможное выявление его первоначального облика. В узком смысле реставрация – это укрепление материалов памятника, способствующее продлению его жизни, и устранение позднейших наслоений, искажающих его исторический и художественный облик.

Современная реставрация опирается на ряд положений, обобщенных в Венецианской международной хартии по консервации и реставрации исторических памятников и достопримечательных мест (1964 г.).

Консервация – от латинского conservatio – сохранение, сбережение памятника, музейного экспоната в дошедшем до нас виде с позднейшими историческими напластованиями. Консервация оставляет неприкосновенной подлинность памятника и не грозит уничтожением каких-либо его элементов, ценность которых пока еще не ясна, но может быть выявлена в будущем.

Реконструкция – от латинского reconstructio – перестройка, восстановление и воссоздание некоторых утраченных частей памятника, которое бывает допустимо только в исключительных случаях.

Реставрация, консервация, реконструкция – все это этапы единого процесса, результатом которого должно быть продление жизни памятника истории и культуры.

План реставрационных работ.

Обязательным этапом реставрационных работ является материаловедческое исследование объекта реставрации. На этом этапе выявляется не только состав материалов и технология их применения, но и одновременность или разновременность создания памятника, возможности целенаправленного воздействия на частично разрушенные или изменившиеся материалы, из которых он создан.

На основании предварительного исследования материалов и состояния памятника разрабатывается план реставрационных работ. Обычно в эти работы входит очистка от загрязнений или позднейших наслоений, антисептическая обработка, укрепление частично разрушенных материалов и различные работы, зависящие от специфических особенностей реставрируемого объекта.

Таким образом, реставрационный процесс включает искусствоведческий и материаловедческий анализ, выбор способов направленного воздействия на материалы реставрируемого объекта, прогнозирование его дальнейшей судьбы и границ продления сроков его жизни.

Полевая консервация: основные требования к проведению реставрационных работ в полевых условиях.

Полевая консервация археологических находок – ответственный этап в комплексе реставрационных мероприятий. Методически правильная обработка находок в полевых условиях имеет не менее важное значение, чем квалифицированное проведение археологических раскопок.

Полевая консервация представляет собой комплекс временных мер по обеспечению физико-механической целостности археологических находок сразу после обнаружения: он включает расчистку в раскопе, укрепление и стабилизацию материала в необходимом объеме, извлечение вещей из земли, упаковку и подготовку к транспортировке в стационарную лабораторию.

При проведении полевой консервации исполнитель должен иметь представление не только о начальной стадии – обработке находок в поле, но и обо всем комплексе реставрационных мероприятий, которые в дальнейшем будут осуществлены в специализированной лаборатории (например, если найдено мокрое дерево, значит консервация будет производиться методиками, применяемыми для мокрой древесины, для этого дерево должно сохраняться мокрым до поступления в стационарную лабораторию). Таким образом, принимать решение о том, что делать с вещами в момент обнаружения, должен не археолог, производящий раскопки, а реставратор или (в его отсутствие) сотрудник экспедиции, имеющий опыт практической реставрационной работы.

Подготовка к полевой консервации должна начинаться одновременно с началом археологических исследований. Перед выездом экспедиции в поле необходимо проанализировать климатические и почвенные условия на месте раскопок, чтобы иметь возможность прогнозировать состояние предполагаемых находок. Этот прогноз должен стать отправной точкой для комплектования полевой лаборатории и обеспечения полевой службы экспедиции необходимыми химикатами, инструментами, оборудованием, упаковочными материалами, тарой и т.п.

Реставратор должен иметь представление о самом памятнике, будь это поселение или курганный могильник, знать его историю и предполагать наличие в нем тех или иных материалов. Например, если вы раскапываете погребения в вечной мерзлоте, как это было при раскопках «замерзших» курганов Укока и Монголии, очевидно наличие в этих погребениях мокрого дерева, изделий из текстиля, материалов органического происхождения вплоть до присутствия мумии в захоронении. Соответственно, требуется подготовка необходимых материалов для консервации и упаковочный материал именно для этих вещей. Другой пример – знаменитое городище Чича: очевидным было наличие в этом памятнике большого количества керамики, изделий из бронзы, глиняной пластики, кости. Соответственно были подобраны необходимые реактивы для тонких бронз, полимеры для закрепления и склейки керамики и глины. В могильнике ранней бронзы Тартас-1 предполагалось также наличие большого количества керамики, бронзовых украшений, изделий из кости. Соответственно подбирались определенные химикаты и инструменты для квалифицированного извлечения находок из раскопа и правильной их консервации.

Необходимо также учитывать, что современные археологические исследования проводятся с привлечением большого количества специалистов из других областей знаний. Поэтому, перед началом любой консервации необходимо отобрать всевозможные пробы со всех извлекаемых из земли находок. Например, перед промывкой и обработкой керамики необходимо извлечь и качественно упаковать все содержимое сосудов, сделать соскобы с мест, где сохранился нагар, при склеивании оставить несколько фрагментов для исследований специалистами по керамике. При подозрении на присутствие красителей на предметах из дерева, кости, текстиля и др. не следует начинать промывку или обработку этих вещей растворителями, обязательно взять пробы красящего вещества. Не следует вводить химические вещества в металлические изделия, не взяв с них проб на состав металла.

Все чаще к археологическим исследованиям привлекаются специалисты по генетике. Для них необходима чистота эксперимента, т.е. отсутствие посторонних ДНК на костяках погребенных. Например, при раскопках погребения во льду в Монголии, генетики были вынуждены взять анализ крови у всех участников экспедиции, чтобы исключить наличие их ДНК на костяке погребенного. Поэтому работа с костными останками древних людей должна обязательно проводиться в перчатках, если предполагаются генетические исследования данного памятника.

Таким образом, полевая обработка не должна включать реставрацию археологических находок. Стремясь непосредственно в поле получить максимум информации о найденных предметах, археолог требует от реставратора (или пытается сам) очистить предмет от продуктов коррозии, скрывающих его поверхность, что недопустимо. Очистка в полевых условиях может привести материал в такое состояние, когда никакая лабораторная обработка не сможет его сохранить. В процессе очистки археологического предмета в поле может быть утрачена часть информации, которую содержит предмет. Так, вместе с продуктами коррозии на металле могут быть уничтожены отпечатки ткани, в которую был завернут предмет, следы дерева от ножен на клинке меча и др. Да и сам коррозионный слой содержит информацию о составе сплава и особенностях изготовления предмета.

В связи с этим уместно вспомнить слова Г.Картера: «Уничтожить какое-либо вещественное доказательство легче всего, восстановить же его невозможно». История археологии знает немало примеров гибели находок из-за неумелого обращения с ними в момент открытия.

Необходимо помнить важнейший принцип полевой консервации – «не причини вреда». Если есть хоть малейшее сомнение, как провести полевую обработку найденного предмета и нет уверенности в возможности извлечь его из земли без повреждений, нужно засыпать находку и вызвать специалиста-реставратора.

Необходимо помнить, что сохранение археологических находок должно начинаться уже в процессе раскопок, то есть при появлении при расчистке любой находки необходимо изолировать ее от прямого солнечного света, по возможности сохранять изначальную влажность и температуру в раскопе, обязательно закрывать предметы, находящиеся в раскопе, во время прекращения работ. Очень важно грамотно и осторожно (специальными инструментами – скальпелем, иглами, деревянными палочками) извлечь археологический материал из раскопа, иметь при себе необходимый упаковочный материал и тару для транспортировки вещей в полевую лабораторию. В самой полевой лаборатории археологический материал нужно сохранять в максимально комфортных условиях: отсутствие света, прохладное место, поддержание определенной влажности или ее отсутствия. Сохранность предметов должна постоянно контролироваться (предотвращение появления плесени, чрезмерного высыхания или, наоборот, повышения влажности при хранении).

При консервации археологических находок в полевых условиях особенно важным является применение при обработке обратимых консервирующих препаратов, использование минимума химических реактивов, применение которых возможно только в случае крайней необходимости. Необходима тщательная, поэтапная фиксация всех операций, проводимых с археологическими находками в полевых условиях, что обеспечит успешную работу с этими предметами в стационарной реставрационной лаборатории.

Очень важным этапом полевых работ с археологическими находками является грамотная их упаковка и транспортировка в стационарные реставрационные лаборатории.

Выбор методов полевой обработки археологических находок в каждом отдельном случае зависит от многих моментов: от состава материала, из которого изготовлены вещи, состояния их сохранности, условий залегания, и тех условий, в которых они оказались после изъятия их из почвы. Вместе с тем, почти столетний опыт полевой консервации археологических находок позволяет выявить общие закономерности обработки вещей в поле как начальной стадии реставрации.

Для успешного проведения полевой консервации первостепенное значение имеет взаимопонимание между археологом и реставратором, принимающим участие в работе экспедиции, и согласованность их действий в поле.

В ходе раскопок археолог обязан постоянно следовать рекомендациям реставратора, который, в свою очередь, должен учитывать научные интересы археолога и сделать все возможное, чтобы полевая обработка находок не мешала их дальнейшему изучению.

Полевая консервация археологического текстиля, войлока, меха Археологические ткани, войлоки и мех – особая группа материалов с присущими только им условиями бытования до поступления в реставрационную лабораторию и вероятностью подвергаться атакам биоразрушителей на всех этапах своего существования. Консервация и реставрация их - трудная и в каждом отдельном случае индивидуальная реставрационная задача. Волокно ткани растительного или животного происхождения, как и всех органических материалов, подвержено старению, его очистка и укрепление при необходимости сохранения структуры, цвета и эластичности не всегда достижимы. Остатки древнего текстиля, обнаруживаемые при археологических раскопках, обычно сильно повреждены в результате воздействия почвенных минеральных веществ, продуктов органического разложения, коррозии металлических предметов. Часто они спрессовываются в плотную массу. Расслоить такие ткани механически практически невозможно.

Растительные волокна (лен, хлопок, конопля и др.) содержат целлюлозу и разрушаются в земле очень быстро, практически бесследно исчезая. Находки в почве тканей из растительного волокна крайне редки, так как для их сохранения нужна абсолютная сухость в течение многих веков или пропитка смолами (так, например, хорошо сохранились ткани из растительных волокон (бинты) на египетских мумиях). Поэтому речь будет идти о текстильных археологических материалах из волокон животного происхождения (шерстяных и шелковых), а так же о войлоках и мехе.

Шерсть и шелк подвержены старению, обусловленному деструкцией волокон. Этот процесс может ускоряться или замедляться в зависимости от влажности почвы и степени проникновения к тканям воздуха, а также из-за соприкосновения с предметами из металлов со следами коррозии, которые создают окислительно-восстановительную среду и ускоряют разрушение волокон. Красители тканей также химически взаимодействуют с окислами металлов и изменяются. Нити шелка, например, очень активно взаимодействуют с соединениями железа.

Разрушение тканей происходит в результате разложения органических остатков, жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, плесневых грибов, растений, насекомых, земляных грызунов.

Древний текстиль вследствие его загрязненности часто трудно распознать в раскопе, не обладая специальными знаниями. Поэтому при малейшем изменении цвета или состава грунта в погребении, необходимо учитывать возможность появления здесь текстиля. Особенно внимательно надо относиться к расчистке костяка погребенного, нахождение на нем остатков древнего текстиля наиболее вероятно.

Основные требования по полевой консервации археологических тканей и войлоков:

1. Консервация древнего текстиля должна начинаться уже в раскопе, при обнаружении первых признаков его присутствия (изоляция от света, работа более тонкими, желательно деревянными инструментами, тщательная фиксация). Нельзя оставлять расчищенные ткани в раскопе открытыми во время прекращения работ.

2. Извлечение тканей из земли должно происходить без усилий, на заранее подготовленные твердые основы. Нельзя удалять землю и все загрязнения с тканей с помощью щеток в раскопе. Окончательная очистка должна производиться в стационарной лаборатории.

3. Прочные текстильные изделия могут быть медленно высушены, распрямлены и механически очищены в полевых условиях. Хрупкие изделия должны быть законсервированы и пластифицированы.

4. Все ткани и войлоки в полевых условиях должны храниться в прохладном месте, изолированными от солнечного света, необходимо обезопасить их от появления плесени (обработка антисептиками) и разрушения насекомыми (антимоль).

5. Перед транспортировкой ткани и войлоки должны быть качественно упакованы в зависимости от их состояния.

Консервация и реставрация крупногабаритных деревянных изделий из погребений с вечной мерзлотой.

Обнаружение в археологических памятниках деревянных изделий, а тем более крупных объектов из древесины – явление достаточно редкое. Как любое органическое вещество, дерево подвержено быстрой деградации и разложению, поэтому взгляду археолога чаще всего предстают лишь фрагменты мелких деревянных изделий или бесформенная деревянная труха.

Только в исключительных условиях исследователям удается найти целые или подлежащие восстановлению деревянные изделия. Специфические особенности климата Горного Алтая обусловили формирование совершенно уникальных археологических объектов – древних курганов, под насыпями которых в условиях вечной мерзлоты практически все предметы органического происхождения сохранились в своем первозданном виде. Впервые археологам была предоставлена возможность полной реконструкции погребальных комплексов 2,5 тысячелетней давности. Сохранившиеся в замерзших погребениях крупногабаритные деревянные конструкции - срубы из лиственничных бревен, колоды, погребальные ложа-кровати и помосты – поставили перед реставраторами сложные проблемы по консервации и реставрации подобных объектов.

До 90-х годов прошлого века в России не были отработаны определенные методики консервации крупногабаритных деревянных изделий. Крупномасштабные раскопки «замерзших» курганов на плоскогорье Укок Горного Алтая, проведенные в 1990-1996 гг. археологическими отрядами академика В.И. Молодина и д.и.н. Н.В. Полосьмак, дали толчок для поиска и отработки новых, современных методик реставрации. В первую очередь, данные методики разрабатывались в стенах Института археологии и этнографии СО РАН (г. Новосибирск), а также в других научных центрах (Институт археологии им. А.Х. Маргулана, г. Алматы, Республика Казахстан).

Проведение качественной консервации крупногабаритных деревянных изделий из погребений Укока стало возможным благодаря сотрудничеству Института археологии и этнографии СО РАН с Японским культурным центром консервации в г. Нара. В результате совместных работ (1990-1995 гг.) лаборатории Института археологии и этнографии были оснащены японским реставрационным оборудованием. Это пропиточная ванна (фирма SANKO SHOJI., CO LTD) и вакуумная вымораживающая сушильная установка Freezdryer (фирма KANSAL PRESERVATION TECHNOLOGY).

Пропиточная ванна предназначена для обработки мокрой археологической древесины водными растворами консерванта. Ванна имеет «рубашку»

обогрева, снабжена автоматической регулировкой температуры, уровня и перемешивания пропиточного раствора. Рабочий объем ванны около 3 кубических метров (3,0/ 1,0/ 0,8) м, что позволяет пропитывать крупные археологические изделия, такие как колоды-саркофаги, срубы и т.п.

Вакуумная вымораживающая сушильная установка Freeze-dryer состоит из нескольких блоков. Это камера сушки, пульт управления системой вакуумирования, охлаждения и циркуляции теплоносителя. Внешние габариты установки - 7,4 /2,2/ 2,2 м. Размер полки позволяет сушить изделия длиной до 2 м. В сушильной установке Freeze-dryer древесина находится при низкой температуре в условиях вакуума, при этом вода в виде льда переходит в пар, минуя жидкое состояние, что позволяет предотвратить деформацию древесины. Продолжительность такой сушки составляет 4-6 дней.

Этапы консервации и реставрации крупногабаритных деревянных изделий Работа по консервации мокрой археологической древесины имеет несколько этапов:

- отмывка находок от примесей;

- размещение древесины в пропиточной ванне и насыщение до максимальной влажности;

- консервация методом ПЭГ;

- подготовка древесины к сушке;

- сушка пропитанной древесины.

Подготовка древесины к консервации состоит в отмывке ее от механических примесей, фиксации формы объектов и размещении их в пропиточной ванне. Бревна срубов укладывают в два слоя – один на дно пропиточной ванны, второй - на специальную решетку ванны. Эта решетка легко убирается, например, при размещении в пропиточной ванне колоды. Древесина должна лежать свободно, без напряжения. После окончания укладки пропиточную ванну заливают холодной водой, в которой древесина должна достичь максимальной влажности. Когда структура древесины полностью заполнится водой, следует начинать процесс консервации.

Суть метода консервации заключается в постепенном замещении воды, содержащейся в структуре мокрой археологической древесины на консервирующий состав – полиэтиленгликоль с молекулярной массой (ПЭГ4000).

В начале в пропиточную ванну с древесиной и водой засыпают такое количество консерванта, чтобы его начальная концентрация составила 10Затем в течение 10-14 месяцев концентрацию консерванта (ПЭГ 4000) медленно увеличивают до 60-80%, при достижении этой концентрации находки выдерживают в пропиточном растворе еще 3 месяца. Поскольку консервант ПЭГ-4000 имеет ограниченную растворимость в воде, процесс пропитки ведут при нагревании раствора до 40-50°С. Для сбора плесени, возникающей на поверхности раствора в начале пропитки, используют специальные фильтры-ловушки. Концентрацию ПЭГ 4000 контролируют рефрактометром. Таким образом, в процессе консервации происходит постепенное замещение воды, содержащейся в структуре мокрой археологической древесины, на консервирующий состав – полимер ПЭГ 4000.

По окончании консервации пропиточный раствор из ванны сливают, находки извлекают и слегка отмывают теплой водой, затем насухо протирают и фиксируют естественную форму изделий.

Сушка пропитанной древесины проводится двумя способами. Крупногабаритные объекты, такие как колоды-саркофаги, бревна срубов и ложакровати обертывают в мекалентную ткань, укладывают в положение, исключающее деформацию, и сушат при комнатной температуре не менее 6 месяцев. Деревянные изделия с размерами менее 1 м укладывают для сушки в вакуумную вымораживающую установку Freeze-dryer.

Последним этапом реставрации является полная реконструкция деревянных объектов, доведение их до экспозиционного вида. Пролежавшая во льду более 2,5 тыс. лет древесина неизбежно в той или иной мере деформируется. Для придания изделию первоначальной формы деформированные детали склеиваются эпоксидной смолой с наполнителем из мелкой деревянной стружки, а затем стягиваются струбцинами или толстым фалом. Крупные щели также заполняются эпоксидной смолой с помощью шприцов и тонируются наполнителем соответствующего цвета. Для склеивания нами используется 3 вида эпоксидной смолы, которые отличаются временем застывания и пластичностью.

Консервация крупных изделий из древесины – процесс очень длительный, не терпящий спешки. Так, например, только пропитка погребальной колоды из кургана Ак-Алаха 3 заняла 12 месяцев, пропитка бревен деревянного сруба из кургана Верх-Кальджин 2 – 14 месяцев и т.д. Консервация деревянных объектов из «замерзших» курганов Укока была начата в 1993 г. и продолжается до сих пор. В настоящее время полностью закончена реставрация двух деревянных колод-саркофагов, погребального ложа-кровати, деревянного сруба, состоящего из 12 бревен. Эти объекты могут экспонироваться не только в стационарных условиях научного музея, но и способны выдержать транспортировку на любые передвижные выставки.

Раздел 5. Статистические методы в археологии Статистика. Массовые находки как основная область применения количественных методов и компьютерной обработки (базы данных). Нормальное распределение. Доверительные интервалы. Признаки как средство описания и основа многомерного статистического анализа. Круг задач и виды статистических методов. Примеры применения в отечественной и зарубежной практике.

Вероятностно-статистический подход Применение математического аппарата в археологических исследованиях (для упорядочивания данных и поиска закономерностей) строится на основе вероятностно-статистического подхода.

Суть подхода: суждение по части о целом. В основе этого подхода лежит вероятностная модель. В рамках этой модели предполагается, что имеющаяся статистическая совокупность представляет собой выборку из некоторой реальной или гипотетической совокупности (генеральной совокупности). Выводы, сделанные на основе этой выборки, распространяются на всю генеральную совокупность. Эта модель довольно хорошо соответствует археологическим данным, действительно представляющим собой выборочные совокупности, сохранившиеся в виде так называемой случайной, естественной выборки.

Характерной особенностью статистических методов является то, что они имеют дело не с отдельными случаями, объектами, индивидуумами, а с совокупностями, группами, т.е. массовым материалом. Использование статистических методов возможно только при анализе археологических данных, частоту которых можно измерить, при изучении массовых находок. В рамках вероятностно-статистического подхода решаются задачи компактного и наглядного описания объектов исследования и анализа данных.

Применение математико-статистических методов в археологии целесообразно при решении следующих задач:

- установление средних размеров археологических объектов как стандартов, которым следовали древние мастера. Установление степени вариабельности этих размеров, случайных и закономерных отклонений от стандартов;

- исследование частоты встречаемости и взаимовстречаемости объектов и признаков, оценка степени взаимосвязи между ними;

- исследование сходства между объектами, культурами или их локальными вариантами, полностью не совпадающими друг с другом, но имеющими набор совпадающих и несовпадающих признаков;

- исследование структуры взаимосвязей признаков археологических объектов с целью выявления более или менее существенных признаков при построении археологической классификации.

Соотношение качественного и количественного анализа при построении математических моделей археологических объектов Следует отметить, что применение количественного анализа невозможно без постоянного обращения к анализу качественному. На основе качественного анализа происходит выбор объекта и предмета и ставится исследовательская задача. Посредством качественного анализа определяется круг тех признаков и свойств рассматриваемых явлений и процессов, которые должны быть учтены и изучены. На нем базируется выбор необходимых источников и методов исследования.

Для проведения количественного анализа очень важно установить, вопервых, достоверность и точность данных, во-вторых, их представительность, репрезентативность. Достоверность данных выражается в точности измерения соответствующих признаков. Ошибки измерения могут быть качественными и количественными.

Представительность исходных данных также имеет два аспекта – качественный и количественный. Содержательная представительность количественных данных определяется тем, в какой мере показатели, на основе которых изучаются соответствующие явления и процессы исторического развития, отражают именно те черты и свойства, которые характеризуют внутреннюю суть этих явлений и процессов.

Репрезентативность показателей в количественном отношении означает их количественную достаточность для получения надежных результатов.

В силу специфики археологических источников решение вопросов, связанных с этими моментами, является существенной проблемой применения методов вычислительной математики в археологии. Непременным условием применения математических методов является адекватное отражение ими сущности исследуемых явлений и процессов. Для этого необходимо ясно представлять себе логическую суть применяемых методов и соотносить ее с логикой самого явления. Важно соблюдать условия и учитывать ограничения на применение того или иного метода. Например, многие статистические методы используют предположение о нормальном распределении значений признаков.

Особенность археологических источников заключается в том, что это естественная выборка, т. е. исследователь не в состоянии влиять на ее формирование. И здесь оценивать случайность выборки, нужно опираясь и на качественный анализ, и на математические методы.

Математика позволяет установить, в какой мере объем естественных выборок обеспечивает необходимую точность оценки средних значений признаков в генеральной совокупности по данным выборки. Также используя математические методы можно определить характер случайности выборки.

Но, к сожалению, достаточно надежных методов математической проверки репрезентативности естественных выборок пока нет, и поэтому решающую роль здесь играет выяснение их возникновения и содержательный анализ имеющихся данных.

Основные методы математической статистики Все методы математической статистики можно отнести к двум основным разделам: теории статистического оценивания параметров и теории проверки статистических гипотез.

1. Статистическое оценивание.

Идея статистического оценивания параметров генеральной совокупности по выборочным данным сводится к тому, что выборочная характеристика какого-либо параметра является приближенным значением – оценкой – этого параметра в генеральной совокупности.

При оценке параметров возникает вопрос: насколько сильно выборочная оценка отличается от истинного значения параметра? Нельзя ли указать вокруг выборочного значения параметра такой интервал, который бы с высокой вероятностью (доверительной вероятностью) «накрывал» истинное значение параметра. Этот интервал называется доверительным интервалом. Его величина зависит от доверительной вероятности (т.е. надежности оценивания) и от объема выборки.

2.Проверка статистических гипотез.

Статистическая гипотеза – это некоторое предположение о свойствах генеральной совокупности, которое можно проверить (принять или отвергнуть), применяя методы математической статистики к данным выборки. Например, предположение об отсутствии взаимосвязи между двумя признаками.

Основные типы гипотез:

- гипотезы о типе закона распределения признака (чаще всего проверяется соответствие нормальному закону распределения);

- гипотезы о числовых значениях параметров совокупности;

- гипотезы о типе зависимости признаков.

Цель статистической проверки высказанной (нулевой) гипотезы состоит в выявлении того, противоречит или нет эта гипотеза имеющимся выборочным данным. Проверку выполняют на основе определенного статистического критерия.

Статистическая проверка и ее вывод носят вероятностный характер, т.е. вывод делается с определенной степенью вероятности (достаточно большой), и существует шанс (он предполагается достаточно малым) отклонить верную гипотезу или не отклонить неверную. Можно оценить вероятность совершения ошибки, связанной с распространением наблюдаемого результата на всю совокупность, и получить представление о надежности выводов.

Вероятность ошибочного отклонения нулевой гипотезы называют уровнем значимости (p-уровень).

Уровень значимости – это показатель, находящийся в убывающей зависимости от надежности результата. Более высокий p-уровень соответствует более низкому уровню доверия к найденной в выборке зависимости между переменными. Например, p-уровень =.05 показывает, что имеется 5% вероятность, что найденная в выборке связь между переменными является лишь случайной особенностью данной выборки.

Формализованное описание археологических объектов. Признаки.

Шкалы измерений Так как археология во многом интуитивная наука, с описательным, часто неоднозначным языком, то в связи с этим существует проблема формализованного описания археологических источников. Для математической обработки данных важно использование строгого, однозначного описания объектов исследования. Формализовать язык описания археологических источников, значит описать их точным, однозначным языком. Язык описания данных должен быть принят сообществом археологов. Ограничения метода формализации: присутствует момент огрубления живой, развивающейся действительности.

Признак – единица описательного языка, список признаков – словарь описательного языка.

Для каждой категории объектов должен быть составлен собственный язык описания. Но признаки, повторяющиеся в разных кодах, должны легко отождествляться. В связи с составлением формализованного языка описания археологических объектов связано много проблем. Например, определение границ вариантов признаков, выделение существенных и несущественных признаков, глубина иерархии признаков. К решению этих вопросов надо подходить с двух сторон. Во-первых, используя методы математической статистики, например корреляционный анализ, и, во-вторых, используя обязательный качественный анализ и привлечение интуиции.

Каждый признак имеет набор значений (вариантов). В зависимости от возможности измерения все признаки делят на две категории: качественные и количественные. Различают следующие типы шкал: номинальная, порядковая (ранговые признаки), интервальная, относительная.

При измерении количественного признака определяется степень интенсивности (мера) какого-то свойства на объекте. С количественными показателями допустимы все арифметические операции, для них разработано большинство статистических методов.

Качественные признаки измеряются по номинальной шкале, что эквивалентно отнесению каждого объекта к одной из категорий по данному признаку.

На уровне совокупности объектов можно подсчитать количество или долю объектов, попадающих в определенную категорию. Для отдельных объектов номинальные признаки не могут быть измерены числом и поэтому не могут участвовать в арифметических операциях и в операциях сравнения.

Таблица объект – свойство. Для математического анализа информация об объектах представляется в табличной форме. В полях таблицы приводятся значения признаков для каждого объекта.

Распределение. Эмпирическое и теоретическое распределение.

Нормальное распределение Статистический вывод касается принятия решений относительно генеральных совокупностей на основе информации, получаемой по выборке из этой совокупности. Эти решения основаны как на информации, полученной из выборки, так и на предположениях относительно закона распределения вероятностей исследуемых данных (например, о виде плотности вероятности).

Распределение – одно из основных понятий теории вероятностей и математической статистики. Распределение вероятностей какой-либо случайной величины задается указанием возможных значений этой величины и соответствующих им вероятностей.

Вариационный ряд и его характеристики.

Рассмотрим выборку в виде n (n – объем выборки) элементов из генеральной совокупности. На каждом из этих объектов измерено значение количественного признака. Для каждого значения признака подсчитано, сколько раз оно встречается, т.е. сколько объектов обладает этим значением. Число, означающее сколько раз встречено то или иное значение одного признака, называют частотой. Относительная частота – доля того или иного значения признака среди всей совокупности произведенных измерений.

Если расположить значения признака в возрастающем (или убывающем) порядке и с каждым значением сопоставить его частоты, то получится вариационный ряд. Вариационный ряд показывает распределение объектов по значениям признака.

Характеристики вариационного ряда:

- показатели концентрации, т.е. характеристики меры центральной тенденции ряда, его типичных вариант: мода, медиана, средняя арифметическая и др.

- показатели рассеяния, т.е. характеристики степени отклонения вариант от центральной тенденции, меры их разброса: среднее квадратическое отклонение, дисперсия, коэффициенты асимметрии и вариации.

Для графического выражения распределения признака строят полигон распределения или гистограмму.

Эмпирическое и теоретическое распределение.

Распределение случайной величины задается законом распределения.

Эмпирическое распределение – это результат выборочного наблюдения и отображается в виде вариационного ряда. Теоретическое распределение – это математическая абстракция, к которой приближается распределение случайной величины в генеральной совокупности бесконечного объема.

Плотность распределения в теоретическом распределении аналогична частоте в эмпирическом распределении.

Нормальное распределение Нормальная плотность имеет фундаментальное значение для статистического вывода по нескольким взаимосвязанным причинам:

1) она является представителем класса плотностей вероятности, которые зависят только от двух параметров — среднего значения и дисперсии.

Следовательно, с этой плотностью можно относительно просто работать аналитически.

2) нормальная плотность довольно точно отображает широкий круг случайных явлений. По этой причине ее применение оправдано соображениями практики.

3) нормальная плотность связана с центральной предельной теоремой.

Эта теорема утверждает, в частности, что распределение выборочных средних значений, случайно отобранных из генеральной совокупности с известной конечной дисперсией, асимптотически приближается к нормальному по мере увеличения объема выборки. Поэтому нормальная плотность широко используется при анализе выборочных средних значений.

Дескриптивная статистика С помощью описательной статистики проводят изучение количественных показателей вариационного ряда, раскрывающих общие свойства статистической совокупности. Эти показатели, во-первых, дают общую картину, показывают тенденцию развития процесса или явления, нивелируя случайные индивидуальные отклонения, во-вторых, позволяют сравнивать различные совокупности, в-третьих, необходимы для более сложного анализа.

Характеристики вариационного ряда: показатели концентрации и показатели рассеяния. Часто используется наглядное графическое представление характеристик.

Статистический анализ взаимосвязей. Зависимость: величина и надежность.

Независимо от типа, два или более признака связаны (зависимы) между собой, если наблюдаемые значения этих признаков распределены согласованным образом. Две основные черты всякой зависимости между признаками: величина зависимости и надежность зависимости.

Величина. Величину зависимости легче понять и измерить, чем надежность. Зависимость сильная, если значения одной переменной можно уверенно предсказать по значениям другой.

Надежность ("истинность"). Надежность зависимости непосредственно связана с репрезентативностью определенной выборки, на основе которой строятся выводы. Надежность говорит нам о том, насколько вероятно, что зависимость, подобная найденной, будет вновь обнаружена (иными словами, подтвердится) на данных другой выборки, извлеченной из той же самой генеральной совокупности.

Если исследование удовлетворяет некоторым специальным критериям, то надежность зависимостей между признаками, (найденных по выборке) можно количественно оценить и представить с помощью стандартной статистической меры (называемой p-уровень или статистический уровень значимости).

Существует много различных мер взаимосвязи между переменными.

Выбор определенной меры в конкретном исследовании зависит от числа переменных, используемых шкал измерения, природы зависимостей и т.д.

Большинство этих мер, тем не менее, подчиняются общему принципу: они пытаются оценить наблюдаемую зависимость, сравнивая ее с "максимальной мыслимой зависимостью" между рассматриваемыми переменными. Обычный способ выполнить такие оценки заключается в том, чтобы посмотреть как варьируются значения переменных и затем подсчитать, какую часть всей имеющейся вариации можно объяснить наличием "общей" ("совместной") вариации двух (или более) переменных. Т.е. сравнивается то "что есть общего в этих переменных", с тем "что потенциально было бы у них общего, если бы переменные были абсолютно зависимы".

Анализ связей между признаками (парные связи) При исследовании связей необходимо различать четыре случая (Табл.

1):

1) связи между количественными признаками;

2) связи между качественными признаками, поддающимися ранжировке;

3) связи между качественными признаками, не поддающимися ранжировке;

4) связи между количественными и качественными признаками.

Кроме того, следует различать:

а) исследование связей между одним каким-либо значением одного признака и одним каким-либо значением другого признака;

б) исследование связи между всеми значениями одного признака и всеми значениями другого признака, т. е. связи между признаками со множеством значений;

в) исследование связи одного признака с несколькими другими признаками.

При изучении связей между разнотипными признаками необходимо привести их к одной шкале (качественным признакам придать вид количественных, т.е. как-то ранжировать и «оцифровать» их; или количественным признакам путем разбиения их на интервалы придать вид качественных ранжированных признаков.) или использовать специальные методы обработки разнотипных признаков.

а. Связи между одним значением одного приКоэффициенты сопряженности и ассоциации (Q и K) и критерии х2 и Фишера знака и одним значением другого ми значеRинф, критерий х в. Связи между одним признаком Коэффициент и несколь- множественной Нормированная информативность Rинф кими други- корреляции ми признаками Примечание: Q – коэффициент сопряженности; K – коэффициент ассоциации (Юла); Ф – коэффициент Фехнера; RС – коэффициент Спирмена; RK – коэффициент Кенделла; RKp – коэффициент Крамера; RЧ – Чупрова; Rинф – взаимная информативность (коэффициент Райского). По Г.А. ФедоровДавыдов. Статистические методы в археологии., М., 1987. с. 131.

Анализ связи между качественными признаками на основе информационного подхода Энтропия – мера неопределенности Основным, фундаментальным понятием теории информации является энтропия – мера неопределенности (Ковальченко, 1984, с.212-214). Энтропия вычисляется в том случае, когда изучаемый признак имеет статистическую природу и его значения распадаются на ряд категорий (значений), характеризуемых своими частотами, т.е. вероятностями попадания в ту или иную категорию (сумма всех частот при этом равна нулю).

Чаще всего энтропия вычисляется для т.н. категоризированных признаков, т.е. качественных или атрибутивных признаков, измеряемых по шкале наименований, фиксирующей наличие или отсутствие некоторых свойств объектов. При этом, как правило, категории признака неупорядочены между собой. Измерение здесь состоит в классификации объектов по тем или иным признакам, причем объекты характеризуются тождеством внутри класса (категории) и различием между классами.

Нетрудно показать, что энтропия действительно соответствует интуитивным представлениям о степени неопределенности.

Минимальное значение энтропии равно нулю, и достигается оно при условии, что все вероятности равны нулю, кроме одной, которая равна единице. Содержательно это означает, что все значения признака попадают в одну категорию, а все объекты, соответственно, принадлежат по этому признаку одному классу, т.е. какая-либо неопределенность в знании значений признака отсутствует.

Максимальное значение энтропии признака достигается в том случае, когда его категории равновероятны, т.е. частоты всех его значений равны между собой. Это свойство энтропии как меры неопределенности также согласуется с представлением о том, что максимальная неопределенность, разнообразие изучаемой системы соответствуют равновероятному распределению объектов по категориям (классам).

Поскольку максимальное значение энтропии зависит от числа категорий признака, то на практике обычно используют нормированную энтропию, которая всегда принимает значения в интервале (0,1).

Чувствительность величины энтропии к отклонениям от равномерного распределения частот служит причиной активного использования энтропийного анализа в археологии для решения типологических задач.

Анализ связи между качественными признаками.

В основе подхода к анализу лежит представление о том, что мера связи признаков должна не столько оценивать степень их статистической независимости, сколько характеризовать возможность прогноза значений одного из признаков по значениям другого. Самый точный прогноз достигается в ситуации, когда для каждого из значений одного признака можно однозначно указать соответствующее значение второго. «Полной» связи между признаками соответствует максимальная мера связи, равная 1. Отсутствие связи – 0.

Анализ сходства объектов. Мера сходства При исследовании сходства объектов необходимо различать четыре случая:

1) Объекты описаны мерными непрерывными признаками;

2) Объекты описаны дискретными признаками;

3) Объекты описаны качественными признаками;

4) Объекты описаны разнотипными признаками.

Объекты представляют в виде точек в N-мерном пространстве, координатами которых являются значения признаков. Мера сходства выражает степень сходства в количественной форме. Для изучения сходства и различия вычисляют расстояния между объектами. Способ вычисления расстояний (и, соответственно, коэффициентов сходства) выбирается с учетом характера признаков, описывающих объекты. Например, для объектов, описанных количественными признаками, используют коэффициенты, основанные на эвклидовом расстоянии; для объектов, описанных качественными признаками – на расстоянии Хемминга.

Общая схема классификации Содержанием всякой классификации является сравнение объектов между собой по заданным признакам и заключение об их сходстве или различии. Сходные объекты объединяются в группы так, чтобы сходство между объектами одной группы было большим, чем сходство между объектами из разных групп. Сходство измеряется с помощью выбранной меры сходства.

Алгоритм классификации может выглядеть следующим образом:

Для выполнения классификации с учетом большого набора признаков и большого количества объектов служат методы многомерной (автоматической) классификации.

Кластерный анализ – группировка объектов и признаков.

Факторный анализ – выявление скрытых факторов.

Дискриминантный анализ – изучение различий между группами объектов по нескольким переменным.

Логическая схема процесса решения задач типологии на основе комплексного использования математических методов.

Раздел 6. Применение ГИС методов в археологии Аэрофотосъемка, геофизические методы разведки: электрические, магнитометрические; фосфатный анализ. Поиск грунтовых могильников и поселений. Определение их границ. Основные принципы используемых методов. Их возможности, достоинства и ограничения.

Аэрофотосъемка Аэрофотосъемка основана на принципе взгляда с высокой точки наблюдения, что дает возможность обнаружения археологических памятников, не оставивших после себя практически никаких следов на земле. Схемы таких известных памятников, как Стоунхендж и многих центрально-американских и южноамериканских ритуальных центров, были составлены с помощью аэрофотосъемки. С использованием сканирующего радара и аэрофотосъемки был составлен план доисторической системы дорог в каньоне Чако, штат Нью-Мексико (Sever and Wiseman, 1985).

Интерпретация аэрофотоснимков требует их тщательного изучения. Разного вида фотографии позволяют выявлять различные детали, которые помогают выявлять археологические памятники. Например, объекты можно фотографировать под углом или вертикально, в разное время суток и года, с разных высот и разными объективами. При определенных условиях едва различимые изменения топографии, растительности или цвета почвы могут выявить археологический памятник или его приметы.

Основные принципы аэрофотографического метода 1. Теневые показатели. Они являются результатом небольших колебаний в топографии местности. Земляные работы, канавы, дороги, строения - все это сравнивается с землей в результате эрозии или вспашки, но их слабые следы все же четко видны с воздуха. Поднимающееся или заходящее солнце дает длинные тени, выявляя почти исчезнувшие насыпи или траншеи. При боковом свете становятся видными детали памятника.