Информация от УЦКИТза съществуващите лаборатории

Лаборатория по АрхеогеофизикаArcheo geophysics lab.

http://www.phys.uni-sofia.bg/bul/departments/ucsrt/agpl/index.html

ИсторияЛабораторията е създадена през 2006 г. за внедряване накосмически технологии (георадари) в търсенето игеофизическите проучвания на археологически терени у нас.

Вид: научно-изследователска лаборатория с потенциал за учебна дейност.

Научни направления и експерименти:

Използвани методи:Лабораторията използва следните геофизични методи за търсене и

недеструктивно изследване на археологически обекти:

I. Радарни методи1. Георадар - Методът е разработен от НАСА за изследване на

лунния грунт за нуждите на американската космическа програма.Напоследък той се наложи като най-мощният архео - геофизическиметод

II. Електросъпротивителни методи2. Вертикално електрическо сондиране (ВЕС) 3. Електропрофилиране и Електротомография

III. Индукционни методи- използват военни технологии затърсене на мини

4. Импулсна индукция         5. Електромагнитна индукция

IV. Електростатични методи.6. Лабораторията разработва един нов архео-геофизичен метод,

наречен метод на остатъчния заряд.

Отличителни и представляващи интерес апаратура иексперименти. Актуални изследвания, които сеизвършват в лабораторията:

Георадарни измервания на могилата Голямата КосматкаПървите успешни измервания на археологически обект с георадар

у нас бяха извършени през 2007 г. в гробницата в могилата "ГоляматаКосматка". С него измерихме 60 скана на стените и пода нагробницата в м. "Голямата Косматка". Всеки скан се състои средно отпо 392 измервания на различни трасета на проникване на радарнотолъчение в дълбочина, т.е. направихме измервания на около 23500трасета. Разделителната способност на получените сканове впосоката на сканиране (т.е. разстоянието между измерените трасета)варира от 1,3 до 1,7 см.

Вертикален срез на4,50- 5,25 метра отстената на кръглатакамера на гробницатав м. "ГоляматаКосматка". Вначалото и в края наскана са пресеченивъншните стени нанеизвестна кръглапостройка. Тритевертикални линиимежду тях може да саколони.

Фиг. 1. Вертикален срез на интензитета на радарното лъчение,отразено от обекти около гробницата в м. "Голямата Косматка" измеренпрез стената на кръглата камера на гробницата. Слабият интензитет наотразеното радарно лъчение е даден с тъмно син цвят, средният снебесно- син, силният със зелен, много силният с жълт, а най-силният е представен с червен цвят

За да потвърдим и допълним данните от георадара извършихме ивертикално електрическо сондиране на дълбочина от 1 до 14 метра надмястото на засеченият неизвестен обект. Установено беше, че обектътзапочва на дълбочина 6.50 метра под повърхността на могилата идостига до около 12 метра под нея (до предполагаемото ниво наместния терен).

Измерванията извършихме в сътрудничество с доц. Георги Китовот Археологическия институт и музей на БАН.

Георадарни геофизични измервания на археологическия обект до с.Ябълково

С георадар бяха сканирани 211 вертикални профила по около 500измервания всеки. Разделителната им способност варира от 2 до 6сантиметра. Те покриват 21 правоъгълни полигона. Регистриранитеаномалии бяха нанесени на план- квадратната мрежа на обекта.

Вертикалните сканове на всички профили покриващи два полигона(които бяха сканирани в успоредни трасета на всеки 50 сантиметра)бяха обединени в тримерни бази данни. След това те бяха нарязани надвумерни хоризонтални срезове на различни дълбочини. Така бяхаизчислени 35 хоризонтални среза на два полигона на различнидълбочини с дебелина от 20 и от 40 сантиметра, които покриватдълбочините от повърхността до 6 метра дълбочина. Полученитедвумерни карти на аномалиите на различни дълбочини визуализиратместоположението на търсените археологически обекти подповърхността.

Електропрофилиране на Омуртаговата могилаИзмерихме 8 профила на привидното електрическо съпротивление и 8

вертикални електрически сондирания на Омуртаговата могила до с.Свещари на дълбочина до 19 метра. Регистрирахме няколко аномалии отвероятен археологически характер. Получените резултати бяхапредставени на 3-мерни графики и карти.

Измерванията извършихме в сътрудничество с проф. Диана Гергова отАрхеологическия институт и музей на БАН.

Фиг. 2. Сканиране на профили от един полигон на неолитенархеологически обект до с. Ябълково с георадар от екип налабораторията по археогеофизика.

Георадарни геофизични измервания на строежи, комуникации,тръбопроводи и други неизвестни подземни обекти.

Георадарите имат приложения и в строителството, ВИК,геотехниката, инженерната геология, мините, електроснабдяването,транспорта, армията, криминалогията, охраната и екологията.Георадарите позволяват недеструктивно локализиране и идентифициранена подземни тръби от метал, пластмаса, керамика, бетон иазбестобетон.

Фиг. 3. Сканиране на градски терен с георадар за търсене наканализационни тръби от екип на лабораторията по археогеофизика

фиг.4.Интензитет на отражение на радарниясигнал от тавана на 4 етаж на сграда Б наФизическия факултет (фиг.5) измерен от 5етаж през бетонната плоча над тях.

фиг.5. Фотография на контрафорсите(бетонните греди) на тавана на 4 етажна сграда Б на Физическия факултетизмерени с георадар (фиг.4)

фиг.6. Двумерна карта (в метри) нарадарния сигнал от бетонни греди на тавана(с дебелина 25см) и празнини между тях-80см. Поради разсейването на сигналарадара “вижда” 7.46 метра, вместо 7-теметра, които сканира. Виждат се илуминесцентните лампи (фиг.5) м/у 3-4 и 4и 5ти метър от скана

фиг.7. Фотография на контрафорсите(бетонните греди) на тавана на 4 етажна сграда Б на Физическия факултетизмерени с георадар (фиг.4, 6).Същият обект е представен и на фиг.

4, 5, 6

фиг.8. Радарният сигнал от двете бетоннигреди в средата на тавана на мазето насграда Б на Физическия факултет измерен НА17,11- 17,38 МЕТРА ДЪЛБОЧИНА от 5 етажпрез 5 бетонни плочи с обща дебелина 3,25метра! Тази дълбочина е със 70% по-голямаот посочената от производителя максималнадълбочина на работа на уреда!!!фиг.4,6,8 Я. Шопов, Д. Стойкова (лаб.Археогеофизика)

фиг.9. Фотография на контрафорсите(бетонните греди) на тавана на мазетона сграда Б на Физическия факултетизмерени с георадар (фиг.11). Същият обект е представен и на(фиг.11).

Ръководител:доц. д-р Явор Й. Шопов - телефон 02 8161732, e-mail YYShopov@Phys.uni-sofia.bg

Лаборатория по Палеолуминесценция (Paleoluminescence lab.)Лабораторията използва методи и апаратура разработени във

Физическия факултет. Те са обект на 3 български изобретения и единканадски патент на екипа на лабораторията. Някой от устройстватаразработени и използвани от лабораторията нямат аналози в чужбина,други са обект на многобройни опити за копиране или видоизмененияот други лаборатории по света.

ИсторияЛабораторията е създадена през 2001 година. В нея е обучаван в

продължение на 6 месеца и един докторант от университета на Болоня,Италия през 2005 и 2006 г. в рамките на Европейската програма заобмен на докторанти ERASMUS.

Вид:- научно-изследователска лаборатория:Научни направления и експерименти:

Изследване на глобалните изменения на климата в миналото.Основната дейност на лабораторията е изследване на глобалните

изменения на климата в миналото и слънчевите въздействия върху тях.До скоро вариациите на слънчевата радиация достигнала доповърхността на земята (инсолация), можеха само да бъдат изчисленитеоретично от орбиталните вариации на земната орбита, коитопредизвикват промяна на разстоянието от дадена точка на земнатаповърхност до Слънцето, което води до промяна на количествотослънчева радиация, достигащо до повърхността на Земята. Ноизчисленията им изискват много некоректни предположения водещи дозначителни неточности в резултатите. Затова лабораторията разработиедин индиректен индекс на инсолацията (фиг.10), който се получаваот измервания на разпределението на луминесценция на органичникиселини в натечни калцити по оста на растеж на кристалите им(фиг.11,12). Абсолютното датиране на тези калцити позволиизмерването на записи на инсолацията (фиг.10) през последните250 000 години. Засега това са единствените експериментални записина инсолацията. Те намират широко приложение в изследванията наглобалните изменения на климата в миналото.

Фигура 10. Вариации на слънчевата светимост (горе) извлечени отлуминесцентен запис на слънчевата инсолация в натечен калцит отЮжна Дакота, USA (долу).

Фигура 11. Флуоресценция (ляво) и фосфоресценция (дясно) на срез нанатечен калцит от Южна Дакота, USA по оста му на растеж. От част оттози образец е получен записа на фиг.10.

Фигура 12. Фосфоресценция на срез на натечен калцит следултравиолетово (УВ) облъчване с импулсна ксенонова лампа. (сн. доц.

Явор Шопов)

Изследване на регионални изменения на климата.Съществена дейност на лабораторията е изследването на

регионални изменения на климата с използване на натечни калцитикато природни климатични станции. За тази цел лабораториятаразработи индиректни индекси на годишната температура и нагодишните валежи, който се получават от измервания на

разпределението на луминесценция на органични киселини в натечникалцити.

Фигура 13. Реконструкция на вариациите на годишната скорост нанарастване на натечен калцит, която е пропорционална насредногодишните валежи в района на Триест, Италия през последните2028 години.

Реконструкциите на записи на индиректния индекс на годишнитевалежи в миналото се получават от микрофотографии наразпределението на флуоресценцията на органични киселини в натечникалцити по оста на растеж на кристалите им, при което севизуализират годишните им слоеве на растеж. Получените фотографиина флуоресценция (фиг. 14) дават възможност за измерване нагодишната скорост на нарастване на кристалите, която епропорционална на средногодишните валежи в района, от където е взетобразеца (фиг. 13). Тези годишни слоеве се използват също и задатиране на записите и за пръв път са наблюдавани от ръководителяна лабораторията.

Фигура 14. Годишни слоеве на разпределението на флуоресценцията наорганични киселини в натечен калцит, от района на село Боснек,Пернишко. (сн. доц. Явор Шопов)

Използване на луминесценция за търсене, полева и лабораторнадиагностика на минерали, нефт и газ

Част от изследванията на лабораторията са посветени наизползване на луминесценцията за търсене, полева и лабораторнадиагностика на минерали, нефт и газ. Това включва:

а. Разработване на нов метод, методики и апаратура зарегистрация на луминесценцията на минерали и нейните спектри вполеви условия.

Известната методика за търсене на минерали по тяхнаталуминесценция в полеви условия използва преносими непрекъснати УВизточници, с които се наблюдава само флуоресценцията на минералите.Недостатък на тази методика е ниската яркост на източници те иневъзможността за наблюдаване на фосфореценцията на минералите изатихването и’. За наблюдаването и регистрацията на тези явлениябеше разработен нов метод “Импулсна фотография на луминесценция”.За използването на този метод в полеви условия беше разработенапринципно нова патентована апаратура, която може да регистрираизображения на фосфоресценция или флуоресценция по отделно илизаедно. Използването на предложената диагностична системаизползваща луминесценцията за полева диагностика доведе до намиранена находища на много нови за България минерали.

С разработването на новата методика “Времево- разрешенарегистрация на фосфоресценция” стана възможно полевото изследване ирегистрация на затихването на фосфореценцията и промяната на цветана фосфоресценцията с времето при наличие на няколко луминесциращицентъра в образеца. Това се оказа особено полезно заразграничаването на фосфоресценцията на включения от нефт иприроден газ (фиг.15) от тази на хумусни и фулво киселини (фиг.11)в калцит при полеви условия, което може да се използва при търсенена нефт.

Фигура 15. Фосфоресценция (ляво) и флуоресценция при облъчване сдълговълнова УВ (дясно, горе) и късовълнова УВ светлина (дясно,долу) на срез на натечен калцит от Carlsbad, USA. Синъо-виолетовата фосфоресция се дължи на включения, които съдържатнефтени въглеводороди и са индикатори за наличие на нефтенинаходища в непосредствена близост. (сн. доц. Явор Шопов)

б. Изследване на спектрите на луминесценция на минерали влабораторни условия

Диагностиката на минерали по тяхната луминесценция понякогаизисква подробно изследване на спектрите, природата и свойствата налуминесценцията им при селективно възбуждане с лазерно лъчение сразлични дължини на вълните. Това е осъществимо само в лабораторниусловия. При такива измервания се получават и Раманови спектри на

образците, които са много ефективни за диагностика на микроскопичниминерали.

Изследване на записи на замърсявания и миграция на токсични металии на киселинността на подземните води.

Луминесценцията на някои образци натечен калцит се предизвикваот токсични елементи. Някой от тях дори имат годишна зоналност(фиг.15) в следствие на вариации на киселинността на подземнитеводи, която предизвиква вариации на разтворимостта на някойтоксични елементи като уран, олово и други.

На фиг.16 е показана фина флуоресцентна зоналност дължаща сена уранови примеси в натечен калцит при облъчване с късовълнов УВ(ляво). Фината флуоресцентна зоналност при облъчване с дълговълновУВ (дясно) се дължи на примеси от редкоземни елементи в образеца.

Фигура 16. Флуоресценция на срез на натечен калцит от Иркутск,Русия при облъчване с дълговълнова (ляво) УВ (LWUV) и късовълноваУВ (SWUV) светлина (дясно). Зелената флуоресценция се дължи напримеси от уранови йони. (сн. доц. Явор Шопов)

Датиране на луминесцентните записиЛуминесцентните записи наложиха създаване на нов метод за

датиране, поради липса на метод с прецизност отговаряща натяхната висока разделителна способност и прецизност. Явнатагодишна цикличност на записите позволява да се пресметнесредногодишната скорост на нарастване на натека, като се определисредногодишният период в пиксели с помощта на анализ на времевиредове. Тази процедура беше заложена в основата на един принципнонов метод за датиране наречен “Автокалибрационно датиране”.

Автокалибрационното датиране на времеви редове с неизвестнанеравномерна времева стъпка използва честотно- времевиматематически спектрален анализ или Фурие трансформация с помощтана който се определя средната времева стъпка на реда и се определя

интервала време от началото до края на времевия ред. Ако е известноначалото на реда той се датира, използвайки така получената мупродължителност. Методът е приложим за датиране на природниматериали с циклична структура и е защитен с авторско свидетелствоза изобретение. Засега е единственият метод за датиране, базиращ сеизцяло на числен метод.

В основата на този метод са годишните ивици на луминесценция(фиг.14) наблюдавани за пръв път от ръководителя на лабораторията.Затова Проф. С.Е. Лауридзен от Университета на Берн, Норвегиянаименува това явление намерило широко приложение за реконструиранена околната среда в миналото по името на Я. Шопов (“Shopov- bands")(виж http://www.karstwaters.org/conduit/vol4no2.htm ) и нарече еднаот сесиите на международна конференция в Берген "Shopov- bands andother high- resolution stratigraphic information"(http://www.karst.edu.cn/igcp/igcp379/1997/part2-1.htm).

Отличителни и представляващи интерес експерименти:Особен интерес представляват палеоклиматичните записи със

свръхвисоко разрешение, които се измерват от лабораторията. Един отразработените от лабораторията методи (Лазерен луминесцентенмикрозонален анализ) позволява лесно вариране на разрешението наполучените записи, чрез вариране на увеличението на оптическата мусистема. С него са измерени реконструкции на вариациите напалеотемпературата и на слънчевата активност (по-точно инсолация) срекордно високо разрешение (Фигура 17).

Изследванията на циклите във вариациите на слънчеватаинсолация в записа на фиг. 17 показаха, че в него са записани дориизмененията на слънчевото излъчване с период от 27 до 30 дена,които са предизвикани от въртенето на Слънцето около остта му (фиг.18, горе). Циклите във вариациите на слънчевата инсолация в записана фиг. 17 съвпадат с тези във вариациите на “слънчевата константа”измерени от Космоса (фиг. 18).

Фигура 17 Луминесцентен запис на слънчевата инсолация преди около1000 години в натечен калцит, с изключително високо разрешение (12hours= 2px per day) по (Shopov & Stoykova, 2010).

0

0,0001

0,0002

0,0003

0,0004

0,0005

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

days

Solar C

onstant (W/m2)

0

0,0001

0,0002

0,0003

0,0004

0,0005

0,0006

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50days

lg(I)

Фигура 18 Циклите във вариациите на слънчевата инсолация в записана фиг. 17 (горе) и на вариациите на слънчевата константа запоследните 50 години (долу) по (Shopov & Stoykova, 2010).

Stoykova D. A., Y.Y. Shopov, L.T.Tsankov, C.J. Yonge (2008)Origin of the Climatic Cycles from Orbital to Sub-Annual. Journal ofAtmospheric and Solar-Terrestrial Physics, v. 70, pp. 293–302

Shopov Y., D. Stoykova (2010) Cycles of the Solar Wind Flux atthe Front of the Earth’s Magnetosphere. AIP Conf. Proc. v. 1356, pp.192-203; doi:10.1063/1.3598105

Ръководител:доц. д-р Явор Й. Шопов - телефон 02 8161732, e-mail YYShopov@Phys.uni-sofia.bg