Anwendungen der Geophysik in der Archäologie Konstantin Kirsch 06.08.2013

Anwendungen der Geophysik in der Archäologie

Konstantin Kirsch 06.08.2013

Konstantin Kirsch – Anwendungen der Geophysik in der Archäologie 06.08.2013 | 2

Inhalt der Präsentation

• Motivation

• Erkundungsmöglichkeiten

• Traditionelle Verfahren

• Allgemeine Vorgehensweise

• Moderne Verfahren/Techniken

– Geomagnetik– Geoelektrik– Georadar

• Ergänzende Verfahren

– Thermische Prospektion– Kleinskalige Suszeptibilitätsmessung

• Zusammenfassung


• Zerstörungsfreie Untersuchung

– Kein Graben– Keine Bohrungen/Bohrproben– Keine Sondierungen

• Kostengünstige und schnelle Flächenuntersuchung

• Bekannte und zuverlässige Technik

• Bei Bauvorhaben:

– Flächen können zeitnah während der Planung auf archäologische Fundstellen untersucht werden

– Änderungen vor Baubeginn möglich Kostenersparnis

Motivation


• Altlasten- und Deponieuntersuchung

– Lokalisierung von Leckagen in Abdichtungen und Sickerwasser

• Untersuchung von Baugrund und Bauwerken

– Dichtigkeitsprüfung von Erddämmen und Deichen

• Untersuchung des Grundwasser

– Vorkommen– Wegigkeit

• Lagerstätten für Ton, Kies, Sand

• Prospektion in der Archäologie

Erkundungsmöglichkeiten


• Oberflächenbegehung, auch Survey oder Bodenbegehung genannt

– Untersuchung auf Störzonen– Bodenfunde durch Ausgrabungen– Studium schriftlicher Aufzeichnungen um Standort von

Siedlungen/Bauwerken zu ergründen

• Luftbildarchäologie

– Untersuchung:

–Schattenmerkmale - bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen–Bewuchsmerkmale - Pflanzenwachstum gestört–Bodenmerkmale - Unterschiede in der Bodenfärbung

– Aktuell vermehrt eingesetzt:

–3D-Geodäsie (Erdvermessung) durch Fotografie in 2 Ebenen möglich

–Laserscan-Befliegung

Traditionelle Verfahren


Allgemeine Vorgehensweise


• Geomagnetik• Untersuchte Eigenschaft ist Magnetische Flussdichte

• Verhältnis von Magnetisierung von Materie zu magnetischer Feldstärke

• Methode:

– Kartierung des oberflächennahen Gradienten der magnetischen Flussdichte des Erdmagnetfelds

– Untersuchung des Einflusses verschiedener Materialien im Untergrund auf das Erdmagnetfeld

• Einsatzbereich:

– Verfüllte Gruben oder Gräber– Hohe Messpunktedichte (0,5 x 0,2 m)– Aufgrund hoher Messpunktedichte Erfassung ganzer Häuser, Siedlungen

in kurzer Zeit

Moderne Verfahren/Techniken


• Geomagnetik

• Funktionsprinzip:

• Misst Magnetfeld parallel zu

den Spulen

• 2 Weichmagnetische Kerne

• Umwickelt mit gegensinnigen

Erregerspulen

• Kerne werden periodisch in Sättigung getrieben

• Induzierte Spannungen heben sich ohne magn. Feld auf

• Liegt Magnetfeld (z.B. Erdmagnetfeld) an einem Kern an, so wird dieser zuerst in Sättigung getrieben

• Spannung in zweitem Kern wird nicht aufgehoben



• Geomagnetik• Eingesetztes Gerät: Fluxgatemagnetometer

• 4 Messsonden

• Wird von einer Person

getragen

• Auf abgestecktem Mess-

feld an Messpunkten

positioniert



• Geomagnetik

• Berichte von Bauern über Fund von Scherben, Werkzeugen auf umliegenden Feldern

• Vermutete Siedlung im markierten Bereich


Luftbild einer vermuteten Frühbronzezeitlichen

Siedlung bei Vráble-Slowakei

Luftbild mit erkennbaren Ringstrukturen


• Geomagnetik

• Dunkle Bereiche sind Bereiche höherer

Flussdichte

• Diese enthalten Oberboden mit eisen-

haltigen Mineralen (Indiz für Verfüllungen)


Geomagnetische Prospektion des

Siedlungsfügels auf 11 ha Fläche

Luftbild mit erkennbaren Ringstrukturen



Geomagnetische Prospektion des Siedlungshügels auf 11 ha Fläche

Rekonstruierte Siedlung


• Geoelektrik• Untersuchte Eigenschaft: elektr.

Leitfähigkeit/Widerstand

• Methode:

– Sondierung: Erfassen der Struktur unter dem Sondierungspunkt

– Kartierung: Darstellung flächenhafter Strukturen

• Einsatzbereich:

– Hauptsächlich Anwendung in Grundwassererkundung und Altlastensuche

– In der Archäologie: Kartierung von Siedlungen oder historischen Bauwerken

– Wird häufig ergänzend zu geomagnetischen Messkampagnen eingesetzt

Moderne Verfahren/Methoden


• Geoelektrik• Funktionsprinzip:

• Strom wird über Elektroden

A und B in Untergrund geführt

• Es bildet sich ein Potentialfeld

• Potentialfeld vom Untergrund (Widerstand) abhängig

• Spannungsmessung über Spannungssonden M und N

• Auswertung gemessener Spannungen über:



• Geoelektrik• Funktionsprinzip:

• Wenner-Anordnung

• Elektroden auf einer Linie

im Abstand a

• Eindringtiefe erhöht sich mit größer werdender Gesamtlänge

• Durch seitlichen Versatz der Elektroden erhält man Widerstandswerte für versch. Messpunkte in der Tiefe

• Resultat der Messung: Widerstandswert an der Stelle 0

• Formeln:



• Geoelektrik


Messonden in Wenner-Anordnung in Olympia

Geoelektrische 2D Tomographie Länge: 100m, Tiefe: 9m


• Georadar• Untersuchte Eigenschaft:

– Dielektrische Leitfähigkeit (beschreibt Durchlässigkeit eines Material für elektr. Felder)

• Methode:

– Begehung eines Areals mit einem GPR-Sensor (Geo-Penetrating-Radar)

– Kartierung der Laufzeit elektromagnetischer Impulse durch oberflächennahen Untergrund

• Einsatzbereich:

– Hauptsächlich Rohstoffexploration– Leitungsverlauf und Altlasten-Erkundung– In Archäologie: Für die Planung der Ausgrabungsstellen

Gruben- und Gräberlokalisierung



• Georadar• Funktionsprinzip:

• Elektromagnetische Wellen von

Sender S

• Wellenausbreitung abhängig

von σ und ε

• An Materialgrenzen wird Signal

als Echo zum Empfänger reflektiert

• Gleichzeitig wird das Signal an der Grenze gebrochen/abgelenkt (breitet sich in nächster Schicht aus)

• Position (Tiefe) der Objekte berechnet sich über Wellengeschwindigkeit v und Laufzeit t



• Georadar

• Dokumentierte Römische Siedlung

• Bereits vielfach getätigte Ausgrabungen vorhanden

• Vermutete römische Villa im markierten Bereich


Luftbild Ortschaft Nußdorf-Debant, Österreich

Georadarmessung; Vermutete Funde: Osten: Badehaus, Westen-Mitte: Villa


• Georadar


Ausgrabungsstelle, Villa mit erhaltenen Wänden und Mosaikfußboden


• Thermische Prospektion• Untersuchte Eigenschaft: Temperaturgradienten

• Methode und Einsatzbereich:

– Im Bodenbefindliche Strukturen unterscheiden sich in den thermischen Eigenschaften vom umgebenden Boden (Wärmeleitfähigkeit, Wärmespeicherkapazität)

– Bei konst. Perioden der Erwärmung/Abkühlung über mehrere Tage lässt sich diese Eigenschaft mithilfe von Wärmebildkameras untersuchen

– Boden über einer Struktur kühlt/erwärmt sich langsamer als der umgebende Erdboden

Ergänzende Verfahren


• Thermische Prospektion• Thermische Materialunterschiede führen zu

Temperaturunterschieden auf der Erdoberfläche


Schematische Darstellung des Prinzips thermischer Unterschiede im Untergrund


• Thermische Prospektion


Wärmebild eines Feldes – Strukturen im Untergrund sind erkennbar


• Thermische Prospektion• Grenzen des Verfahrens:

– Thermische Prospektion in der Regel durch Fotografieren mit Wärmebildkameras aus einem Vorbeiflug

– Problematisch, da Flugzeug in Höhe von 20 – 60 Metern fliegen muss (bei Detailfotografie von einzelnen Räumen)

– Bereich muss schnell fokussiert werden, Bilder können verwackeln

– Mögliche Lösung: Thermografieaufnahmen aus Helikopter



• Kleinskalige Suszeptibilitätsmessung• Untersuchte Eigenschaft: Suszeptibilität

• Methode und Einsatzbereich:

– Untersuchung von Bereichen die eine Anomalie bei der Geomagnetischen Messung aufweisen, allerdings keine archäologischen Fundstücke enthalten (ghost features)

– Bereich kann in Befunde eingegrenzt werden, die für die Anomalie verantwortlich sind

– Wenn Anomalie, aber keine Fundstücke vorhanden– Messung der Suszeptibilität selbst (Magnetisierbarkeit von

Materie in einem externen Magnetfeld)– Im Vergleich: Geomagnetik misst den Einfluss von Verfüllung

auf das Erdmagnetfeld und findet somit Anomalien



• Kleinskalige Suszeptibilitätsmessung


Einsatz eines Kappameters während einer Ausgrabung


Zusammenfassung

• Vielfältige Einsatzmöglichkeiten der Geophysik

– Archäologie, Altlastenerkennung, Grundwasserführung, etc.

• Kostengünstige Methode zur Erkundung möglicher Fundstellen

• Radarmessung am kostenintensivsten, sollte nur bei sehr großen Flächen genutzt werden

• Einzelne Methoden ergänzen sich (z.B.: Geomagnetik und Geoelektrik)


Quellen• Geoarchäologische Prospektion in Olympia:

http://www2.geog.uni-heidelberg.de/physio/forschung/olympia.htm

• Geoelektrik

http://psi.physik.kit.edu/241.php

• Geophysikalische Untersuchungsmethoden in der Archäologie

http://pzp.de/geophysikalische-untersuchungsmethoden-in-der-archaeologie.html

• Archäologische Forschungen in Nußdorf-Debant

http://www.uibk.ac.at/klassische-archaeologie/Grabungen/archaeologische-forschungen-nussdorf-debant/nussdorf.html

• Archäologische Prospektion in Fidvár bei Vráble, Slowakai

http://www.vfg.uni-wuerzburg.de/forschung/projekte/fidvar_bei_vrable_slowakei/#c81178

• Thermische Prospektion

http://www.archaeopro.de/archaeopro/PDF/ThP.pdf

• Volumenvisualisierung von Georadardaten

http://pille.iwr.uni-heidelberg.de/~volumen03/

















Documents

Anwendungen der Geophysik in der Archäologie Konstantin Kirsch 06.08.2013