Georadarska metoda 1 - University of Ljubljanaarheologija.ff.uni-lj.si/sites/arheologija.ff.uni-lj.si/files/Dokumenti/Studij/gradiva/... · 1.2.2 Splošni cilji georadarske raziskave

Arheološka geofizika. GEORADARSKA METODA

1

Univerza v Ljubljani Filozofska fakulteta

Oddelek za arheologijo

doc. dr. Branko Mušič

Arheološka geofizika

III. del:

GEORADARSKA METODA

- študijski pripomoček -

ver. februar 2009


2

KAZALO 1. GEORADARSKA METODA

1.1 Splošno 1.2 Področja uporabe georadarja

1.2.1 Uporaba georadarske metode po raziskovalnih poljih: 1.2.1.1 Arheologija 1.2.1.2 Geologija 1.2.1.3 Geotehnika 1.2.1.4 Glaciologija 1.2.1.5 Gradbeništvo 1.2.1.6 Inženirska geologija

1.2.2 Splošni cilji georadarske raziskave za potrebe arheologije 1.3 Teoretične osnove

1.3.1 Hitrost širjenja radarskih valov 1.3.2 Refleksijski koeficient 1.3.3 Izbira ustrezne oddajno-sprejemne antene 1.3.4 Dušenje radarske energije 1.3.5 Ločljivost 1.3.6 Osnovna fizikalna teorija elektromagnetnega polja

1.4 Primeri georadarskih raziskav 1.4.1 Način izvajanja terenskih meritev 1.4.2 Postopki obdelave podatkov

1.4.2.1 Filtri za odstranjevanje šumov 1.4.2.1.1 Umerjanje razdalj (Distance Normalization) 1.4.2.1.2 Odstranjevanje ozadja (Background removal) 1.4.2.1.3 Filter, ki prepušča nizke frekvence (Low-pass filter) 1.4.2.1.4 Filter, ki prepušča visoke frekvence (High-pass filter) 1.4.2.1.5 Zglajevanje (Deconvolution) 1.4.2.1.6 Migracija (Migration) 1.4.2.1.7 Okrepitev signala (Range Gain) 1.4.2.1.8 Hilbertova transformacija (Hilbert transformation)

1.4.2.2 Določanje globine reflektorjev 1.4.2.3 Tipologija radarskih odbojev

1.5. Primeri georadarskih raziskav 1.5.1 Primeri georadarskih raziskav na območju antičnih mest

1.5.1.1 Sagalassos (Turčija) 1.5.1.2 Tanagra (Grčija)

1.5.2 Primeri georadarskih raziskav v urbanih območjih 1.5.2.1 Sisak – Siscia

1.5.3 Primeri georadarskih raziskav na pedosekvencah na glinah 1.5.3.1 Vrhnika - Nauportus


3

1. GEORADARSKA METODA 1.1 Splošno Georadar (GPR-Ground Penetrating Radar, SIR-Subsurface Interface Radar) so razvili za odkrivanje podpovršinskih struktur v prvi polovici 80-ih let prejšnjega stoletja. Prvi primer uporabe georadarja v arheologiji sega v leto 1976 v Chaco Canyon, v Novi Mehiki, kasneje pa se je njegova uporaba v tovrstnih raziskavah zelo razširila (Vaughan, 1986, Davis in Annan, 1989, Conyers in Goodman, 1997). V Sloveniji so georadar prvič preizkusili leta 1991 (Brezigar et al., 1996). Z georadarjem preko oddajne antene (transmiter) usmerjene v tla, pošiljamo impulze elektromagnetne energije in s sprejemno anteno (receiver) hkrati registriramo čase in amplitude povratnih valov. Ločljivost in globino dosega georadarskega signala v praksi nadziramo z izbiro ustrezne centralne frekvence oddajne antene. Ker gre za metodo geofizikalnega sondiranja lahko ob ustrezni izvedbi akvizicije in obdelave izmerjenih radarskih signalov prikažemo in analiziramo anomalne objekte (arheološki ostanki) v 3D okolju. Georadarska metoda se je v arheologiji uveljavila šele v sredini 90-ih let prejšnjega stoletja. Pred tem namreč ni bilo na voljo učinkovitih programskih orodij za procesiranje ogromnih količin podatkov in generiranje učinkovitih 3D prikazov, interaktivnih analiz in interpretacij v 3D okolju. Na georadarskih 2D profilih zanesljivo prepoznavamo arhitekturne ostanke samo v razmeroma »čistih« situacijah, ko se ti nahajajo v ruralnem okolju v glini ali peščeni glini. Tudi v takšnih primerih je 3D interpretacija na osnovi analize 2D profilov nezanesljiva in predvsem neekonomična. Danes obstaja že precej kvalitetne programske opreme s 3D moduli, ki so neposredno uporabni tudi za arheološke aplikacije. Največji doprinos georadarske metode arheološki prospekciji je prav prikazovanje in analiza radarskih odbojev (=arheoloških ostankov) v 3D okolju. Najbolj razširjen je način prikazovanja rezultatov s t.im. »time slices«, ki pomenijo časovne reze serije vzporednih in praviloma enako oddaljenih radarskih profilov. Priporočljiva razdalja med vzorednimi profili je 0,5 in le izjemoma, kjer terenske okoliščine tega ne dopuščajo, 1m. Rezultat časovnih rezov je diagram enakih amplitud odbojev v istem časovnem območju povratnih valov. V arheološki praksi to pomeni serijo »tlorisov« na poljubnih globinah. V nekaterih primerih tak pristop zagotavlja tudi jasne informacije o faznosti gradnje že pred izkopavanji. Učinkovito pa lahko prepoznamo tudi negativne strukture kot so arheološki jarki, nekdanja korita potokov in izkopi za infrastrukture. Globina dosega je odvisna od frekvence oddajne antene in znaša pri 200 MHz anteni, ki jo najpogosteje uporabljamo cca. 4,5 m. Poleg frekvence antene vpliva na globino dosega tudi vsebnost vode v tleh. Vlaga namreč predstavlja zelo resno omejitev za širjenje elektromagnetnega valovanja. Med akvizicijo imamo le redko na voljo odprte talne profile (npr. arheološka izkopna polja, useki, jedra vrtin), kjer vidimo talne sekvence in lahko vzamemo vzorce za laboratorijske analize dielektričnosti, prevodnosti in magnetne permeabilnosti, ki opredeljujejo način širjenja elektromagnetnega valovanja v konkretnem mediju. Če teh parametrov ne moremo laboratorijsko določiti se pri interpretaciji opiramo na približke in je zato v tem smislu tudi interpretacija vselej samo boljša ali slabša ocena dejanskega stanja. V praksi se je izkazalo, da v večini primerov za dobro interpretacijo georadarske raziskave zadoščajo izkušnje ob poznavanju splošnih značilnosti geološke in pedološke podlage. Zaradi


4

praviloma majhnih globin na katerih se nahajajo arheološki ostanki, so tudi npr. napake pri določanju hitrosti elektromagnetnega valovanja in posredno globin radarskih odbojev sorazmerno majhne. Vertikalna ločljivost je najmanjša razdalja, na kateri je možno dva georadarska odboja še obravnavati kot dve ločeni georadarski meji (glej npr.: Jol 1995, 693–709; Piro et al. 1996, 89–105), in je v splošnem določena z valovno dolžino elektromagnetnega valovanja. Zgornja in spodnja meja horizontalnega reflektorja, kot je v arheoloških kontekstih npr. tlakovana površina, bo na radargramu vidna le, če njena debelina presega četrtino valovne dolžine. Pri srednji dielektrični konstanti talnih različkov 15, znaša valovna dolžina 200 MHz antene v teh tleh približno 0,52 m (v zraku 1,5 m) in pri dielektričnosti 25 0,4 m (Conyers et al. 1997, 45). To recimo pomeni, da lahko na radargramih zanesljivo prepoznamo horizontalne plasti (tlake) debeline večje od 0,17 m oz. 0,1 m. Pri višji dielektričnosti površinskega materiala (npr. vlažna glina) je hitrost elektromagnetnih valov manjša in hkrati je ožji snop eliptičnega stožca, ki določa razmerje med globino in ločljivostjo. Eliptični stožec se širi počasneje, če si v globino sledijo plasti z vedno večjo dielektričnostjo, kar je značilno za pedosekvence na glinah v neposredni bližini rek, kjer vlažnost in s tem dielektrična konstanta z globino postopoma narašča. Merjeni parameter pri georadarskih meritvah je dvojni čas potovanja vala, izražen v nanosekundah (10-9s). Ob poznavanju dielektrične konstante in s tem hitrosti širjenja EM valovanja v preiskovanem mediju lahko te čase povratnih odbojev pretvorimo v dolžinske enote oz. globinske sekcije. Delež elektromagnetnega valovanja, ki se odbije na neki meji med dvema različnima materialoma (npr. tla/zid, tla/arheološka plast, …), je odvisen od kontrasta v dielektrični konstanti (v manjši meri od električne prevodnosti in magnetne permeabilnosti) in razmerja med valovno dolžino EM-valovanja (določena s frekvenco oddajne antene) in debelino arheološkega objekta (Jol 1995, 693–709). Najbolj razširjen je način prikazovanja rezultatov s t. i. časovnimi prerezi (»time slices«), ki pomenijo časovne reze serije vzporednih in praviloma enako oddaljenih radarskih profilov (glej npr.: Goodman et al. 1995, 85–89). Rezultat časovnih rezov je diagram enakih amplitud odbojev v istem časovnem območju povratnih valov. V arheološki praksi to pomeni serijo »tlorisov« na poljubnih globinah. Pogosto se uporalja tudi prikazovanje rezultatov na 3D način, kjer dobimo s prerezi preiskovane prostornine tal v poljubnih smereh natančen vpogled v prostorske odnose arhitekturnih elementov, njihovo globino, širino in stopnjo ohranjenosti. Ta postopek je še posebno dobrodošel za interaktivno interpretacijo v 3D okolju, kar v arheološkem kontekstu omogoča prepoznavanje faznosti gradnje. Meats (1996, 359–379) je z uvedbo postopka migracije, ki v veliki meri zmanjša subjektivnost interpretacije rezultatov georadarske raziskave, naredil prvi odločnejši korak v smeri 3D prikazovanje georadarskih rezultatov. Za realističen 3D prikaz npr. arheoloških arhitekturnih ostankov na podlagi rezultatov georadarske metode so pomembni način določanja širine zidov, globina, na kateri se pojavijo, in višina ohranjenosti. Kvantitativne podatke za 3D prikaz arhitekturnih ostankov dobimo z izbranim naborom postopkov obdelave radarskih profilov in analizo posamičnih radarskih odbojev (glej npr: Leckebusch 2003, 213–240). Medtem ko so širine zidov odčitane iz posamičnih radarskih profilov po uporabi migracije in Hilbertove transformacije, so globine in stopnja ohranjenosti zidov določene s hitrostnimi analizami (Conyers et al.


5

1996, 25–38) in korigirane s testnimi sondami ali vrtinami. Za testno območje določanja hitrosti širjenja elektromagnetnega valovanja, ki je pomembno za izračun realnih globin, lahko seveda uporabimo tudi rezultate predhodnih arheoloških izkopavanj. Ob tem je potrebno opozoriti na dejstvo, da pogosto ne moremo pričakovati povsem enakih hitrosti širjenja elektromagnetnega valovanja na celotni površini najdišča, še posebno, če gre za velike površine. Kot je bilo že rečeno, na hitrost širjenja elektromagnetnega valovanja močno vpliva vlažnost, ki se lateralno spreminja zaradi spremenljive teksture tal, ki v splošnem kontrolira namočenost. Ne glede na prej omenjena dejstva velja, da so močni radarski odboji značilni za meje med plastmi, ki se močno razlikujejo v električnih lastnostih. Vidljivost odbojev na radarskih profilih je odvisna od amplitude odbitih valov. Večja kot je amplituda bolj odboj na profilu izstopa in manjša kot je amplituda slabše so vidni odboji. Majhne amplitude odbojev so seveda značilne za plasti, kjer so le manjše razlike v dielektričnosti. Med prodiranjem v tla radarska energija slabi in se razprši. Ko se del oddanega signala odbije nazaj proti površju bo “utrpel” nadaljnje slabenje zaradi materiala, skozi katerega se vrača proti površju. Zaradi tega samo velik kontrast v električnih lastnostih ni dovolj, da bi lahko na ta način detektirali izrazito mejo med dvema materialoma. Drug pogoj, ki mora biti prav tako izpolnjen je ta, da se ta meja nahaja na majhni globini, kar omogoči odbitemu signalu, da pride do površja, kjer ga registriramo na sprejemni anteni. Največja globina dosega se ne glede na uporabljeno frekvenco oddajne antene spreminja od najdišča do najdišča zaradi razlik v geološki in pedološki sestavi tal. 1.2 Področja uporabe georadarja Georadarska metoda se od začetka svojega razvoja uporablja vse pogosteje, saj je sama metoda dokaj neobčutljiva na zunanje vplive, zato jo je mogoče uporabljati v različnih pogojih. Predvsem je primerna v urbanih okoljih (Basile et al., 2000), ker so druge metode občutljivejše na zunanje motnje. Značilnosti georadarske metode (Conyers in Goodman, 1997, Davis in Annan, 1989, Reynolds, 1997) so:

- Nedestruktivnost; vse meritve se izvajajo brez posega v snov, tako da ne povzroča oslabljenja ali poškodovanja snovi.

- Meritve so »in situ«; izvajajo se na intaktnih snoveh v njihovem naravnem stanju, tako da posredujejo dejanske geofizikalne merske parametre.

- Neomejen pristop in ponovljivost meritev; meritve je možno izvajati brez omejitev in jih ponoviti z isto mersko opremo, upoštevajoč enake vhodne merske parametre.

- Zveznost zajemanja podatkov; merski podatki so dvodimenzionalni časovni profili poljubne dolžine, ki se z obdelavo pretvorijo v dvodimenzionalne globinske sekcije. Z merjenjem večjega števila vzporednih profilov je možno podatke obravnavati in prikazati kot tridimenzionalne, ki so bolj pregledni.

Pri načrtovanju georadarskih raziskav moramo biti pozorni na več dejavnikov:

- tipe struktur, - globino struktur, - fizikalno sestavo struktur, - vrsto kamnin, - možno prisotnost kovinskih teles,


6

- možnost laboratorijske analize snovi, - topografijo terena, - vlažnost zemljine, - pogoje na terenu, ki lahko vplivajo na meritve, - tip vegetacije.

1.2.1 Uporaba georadarske metode po raziskovalnih poljih: 1.2.1.1 Arheologija

Najprimernejši objekti za uporabo georadarja v arheologiji (Conyers in Goodman, 1997):

- jame, zasute z drugačnim materialom od okolice - jarki in predori, - ognjišča, - kamniti temelji v drobnozrnati osnovi, - glina, kamen ali les v vlažnem ali suhem drobnozrnatem vulkanskem

materialu, - žgalne peči, - bivalni prostori, - kovinski objekti, - glineni zidovi v drobnozrnatem materialu, - stratigrafske enote tanjše od valovne dolžine oddajanja antene.

V zvezi s tem navajamo posebne primere georadarske raziskave rimske vile, grajene iz apnenca v električno dobro prevodni osnovi (Appel et al., 1997), možnost odkrivanja in kartiranja srednjeveških žgalnih peči (Goodman et al, 1994, Meats in Tite, 1995) in grobov (Bevan, 1991). Kot je bilo že omenjeno, je nespregledljiv pomen uporabe georadarja v urbanih okoljih (glej npr. Basile et al., 2000). 1.2.1.2 Geologija V geologiji se georadarska metoda uporablja za raziskovanje geoloških formacij (Tillard, 1994), za merjenje aluvialnih in tektonskih struktur (Bano et al., 2000), za zaznavanje prisotnosti podzemne vode (Travassos et al., 2004), za kartiranje geoloških struktur (Sigurdsson, 1995) itd.. Georadarske meritve so npr. zelo uporabne v kraškem svetu, saj lahko s to metodo določamo praznine v kompaktnih kamninah (jame, brezna, razpoke) ali gladino podtalnice. Kot primer lahko navedem georadarske raziskave, ki so potekale v umetnem rovu v zaledju kraškega izvira Hubelj na območju Trnovskega gozda (Trček et al., 2000). Namen raziskave je bil pridobiti dodatne informacije o drenažnem sistemu nezasičene cone. Meritve z georadarjem je bilo potrebno izvesti tudi pred gradnjo ceste pri Golobji jami pri Divači. Potrebno je bilo opredeliti jamske razsežnosti in določiti debelino stropa, da bi kasneje pod obtežitvijo prometa ne prišlo do zruška (Brezigar et al., 1996).


7

1.2.1.3 Geotehnika

Na avtocestnem odseku Razdrto-Čebulovica je bilo potrebno preveriti georadarsko metodo za uporabo v detajlnem stratigrafskem kartiranju. Georadarska metoda se je izkazala kot idealna metoda pri geotehničnih raziskavah na krasu (Brezigar et al., 1996). V kamnolomu Hotavlje je bil cilj georadarske metode ločevati cone apnenca po stopnji razpokanosti oziroma njegovi kvaliteti (Brezigar et al., 1996). V rudniku kalcita Strahovica je bil cilj preiskave določiti debelino pobočnega grušča in s tem izračunati količino jalovine do mineralne surovine (Brezigar et al., 1996). 1.2.1.4 Glaciologija Georadarsko metodo so uspešno uporabili na poledenelih območjih. Led namreč zelo dobro prevaja elektromagnetne valove, tako lahko ti prodrejo globoko pod površje ledu. Georadarske meritve so izvajali na Triglavskem ledeniku (Verbič in Gabrovec, 2002). Meritve so omogočile izračun debeline in prostornine ledenika. 1.2.1.5 Gradbeništvo

Georadarska metoda nam zaradi svoje funkcionalnosti pomaga tudi v okviru pripravljalnih del pred gradbenimi oz. sanacijskimi posegi (Živanović, 2001): Podzemne napeljave. Z georadarskimo metodo ućinkovito odkrivamo podzemne napeljave, saj je mogoče na podlagi oblike in velikosti anomalije predpostaviti vrsto napeljave. Odboji napeljav so navadno zelo izraziti in “pravilnih oblik”. Prav tako je z georadarjem mogoče na podlagi razlik v elektromagnetnih lastnosti, to je suhih in vlažnih zemljin, posredno ugotoviti možna iztekanja vode, nafte ipd.. Raziskave cestnih konstrukcij. Z georadarsko metodo se preiskuje tudi beton, asfalt, plasti nasipa in temeljenih tal na cestah. Pri tem lahko ugotavljamo položaj in meje znotraj umetno nasutih plasti, lahko preiskujemo geomehanske lastnosti plasti (kompaktnost, razpokanost, večje praznine) ter razlike v vlažnosti med plastmi.

Raziskave v predorih. Z georadarsko metodo opravljamo meritve stanja betonske obloge in stanja hribine okoli predora. V betonski oblogi se lahko ugotavlja tudi položaj armaturne mreže v betonu in mesta odstopanja obloge od hribine. 1.2.1.6 Inženirska geologija Raziskovanje hribin. Z metodo je mogoče določati stanje hribin, položaj in sisteme razpok, prazna mesta (jame, brezna), možna mesta pronicanja vode, vzporedno pa lahko določamo tudi meje med različnimi hribinami (Živanović, 2001). Raziskovanje tal. Z georadarskimi metodami se da ugotavljati debelino posameznih plasti, vlažnost posameznih plasti ter globino podtalne vode (Živanović, 2001).


8

1.2.2 Splošni cilji georadarske raziskave za potrebe arheologije

- Definiranje ciljnih arheoloških objektov z vpeljavo arheo-fizikalnih modelov. - Natančno georeferenciranje odkritih arheoloških ostalin za dopolnitev obstoječih

arheoloških načrtov, ki izhajajo iz arholoških virov. - Empirični pristop pri obdelavi georadarskih profilov z upoštevanjem relevantnih

podatkov iz arheoloških izkopavanj. - Načini ugotavljanja dielektrične konstante in s tem hitrosti širjenja radarskih

signalov. - Priprava tipologije radarskih odbojev, ki temelji na karakterističnih radarskih odbojih

za preproste, vendar tipiče arheološke kontekste. - Dvodimenzionalna obdelava podatkov s poudarkom na prepoznavanju in filtriranju

različnih šumov ter možnosti uporabe npr. migracije in Hilbertove transformacije. - Razvoj postopkov in ocena potenciala prikazovanja rezultatov v tri-dimenzionalnem

grafičnem okolju za interaktivno interpretacijo in prepoznavanje faznosti. 1.3 Teoretične osnove Georadarska metoda temelji na meritvah časa potovanja visoko-frekvenčnih elektromagnetnih valov med oddajno anteno in povratnimi valovi od mejnih ploskev (reflektorji) in sprejemno anteno. Signal se ustvari na dipolu oddajne antene, ki je položena na površju. Del elektromagnetne energie se namreč na meji snovi z različno dielektričnostjo odbije nazaj, preostali del elektromagnetnega vala potuje naprej (slika 1). Slika 1: Shematski prikaz širjenja EM valovanja na meji dveh medijev z različnima dielektričnima konstantama. (Reynolds, 1997). Radarski valovi se širijo skozi snov v eliptični coni, ki ima vrh v središču oddajajoče antene. Eliptična cona je navadno vzporedna smeri premikanja antene po površju. Njen izvor sevanja se nahaja v vodoravnem električnem polu antene. Večja kot je dielektričnost površinske snovi, manjša je hitrost elektromagnetnega valovanja in ožji je snop eliptičnega stožca (slika 2). Le-ta se širi počasneje, če si v globino sledijo plasti z vedno večjo dielektričnostjo (Goodman, 1994).


9

Slika 2: Širina snopa eliptičnega stožca (Conyers in Goodman, 1997). Posebnost georadarskih profilov najlažje razložimo na primeru točkovnega vira radarskih odbojev (slika 3). Do teh, samo za georadar značilnih odbojev v obliki hiperbole pride zaradi širokega kota oddanega radarskega žarka, kar pomeni, da antena “vidi” še preden se nahaja neposredno nad objektom in ga “vidi” še nekaj časa še potem, ko ga že prečka. Slika 3: Nastanek radarskih odbojev v obliki hiperbole na površini točkovnega vira (prirejeno po: Conyers, L. B. in D. Goodman 1997, 30, slika 3). Odboji v obliki hiperbole so posledica časov odbojev Dt (slika 3: 1) zabeleženih, kot da se točkovni vir odboja nahaja neposredno pod anteno (slika 3: 2). Ta učinek je popolnoma enak ko se ciljnemu objektu približujemo ali se od njega oddaljujemo. Na sliki 4 je prikazan primer takšnih hiperboličnih odbojev izmerjenih nad kamnitimi temelji (slika 4).


10

Slika 4: Radarski odboji (500 MHz antena), izmerjeni nad manjšimi zidovi, imajo podobno obliko hiperbole kot to velja za točkovne vire anomalij. Položaj profila je prikazan na sliki 18. Pri georadarski raziskavi nas poleg ločljivosti oz. natančnosti, od katere je odvisna velikost objektov, ki jih lahko še detektiramo, zanima tudi največja efektivna globina dosega radarskih valov. Slednja je funkcija frekvence radarskih valov in fizikalnih lastnosti materiala skozi katerega se širijo. Te so določene z dielektričnostjo, konduktivnostjo in magnetno permeabilnostjo. Dielektrični materiali dopuščajo prehod večine elektromagnetne energije brez posebnih izgub. Višja kot je električna konduktivnost materiala, nižja je njegova dielektrična konstanta (e). Največjo globino bomo torej dosegli v primeru, ko sta dielektrična konstanta in električna konduktivnost nizki (Conyers, L.B. in D. Goodman 1997, 32). 1.3.1 Hitrost širjenja radarskih valov Največja globina, ki jo doseže elektromagnetno valovanje, je funkcija frekvence valovanja in fizikalnih lastnosti snovi, skozi katero se širi. Fizikalne lastnosti, ki vplivajo na širjenje elektromagnetnih valov skozi snov in dušenje elektromagnetnih valov so električna prevodnost in magnetna prepustnost. Elektromagnetne lastnosti materiala so odvisne od sestave materiala in vsebnosti vlage, ki vplivajo na širjenje in dušenje valov. Magnetna prepustnost (permeabilnost) je fizikalni parameter, ki opredeljuje sposobnost snovi, da se pod vplivom zunanjega magnetnega ali elektromagnetnega polja namagneti. Večina zemljin in sedimentov vsebuje le malo magnetnih mineralov in imajo nizko magnetno susceptibilnost. Večja kot je magnetna susceptibilnost snovi, večji del elektromagnetne energije se oslabi med prehodom skoznjo. Materiali, ki vsebujejo magnetne minerale, imajo visoko magnetno susceptibilnost in zaradi tega slabo prevajajo radarsko energijo. Električna prevodnost je fizikalna lastnost snovi, da prevaja električni tok. Ko se radarski valovi širijo skozi snov z visoko prevodnostjo, se močno dušijo. V visoko prevodni snovi se električna komponenta elektromagnetnega valovanja izgubi. Visoko prevodne snovi navadno vsebujejo slano vodo ali z vodo zasičene plasti gline. Magnetna prepustnost in električna prevodnost določata količino magnetne oziroma električne komponente elektromagnetnega valovanja, ki se bo absorbirala v tolikšni meri, kolikor ji bodo zgoraj omenjene okoliščine dopuščale.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

razdalja (m)

ZID ZIDRUŠEVINSKE PLASTI ZID?


11

Dielektrična konstanta je definirana kot sposobnost snovi za skladiščenje električnega naboja. Snovi, ki so dielektrične, omogočajo širjenje elektromagnetnega valovanja brez znatnega dušenja. Zato bolj kot je snov električno prevodna, manj je dielektrična. Za najugodnejše širjenje elektromagnetnega valovanja mora biti snov visoko dielektrična, a imeti nizko električno prevodnostjo. Dielektrična konstanta snovi se spreminja z njeno sestavo, z vsebnostjo vlage, z gostoto, s poroznostjo, s fizikalno strukturo in s temperaturo. Večja kot je razlika med relativno dielektrično konstanto različnih snovi pod površjem, večja je amplituda odbojev (tabela 1). Dielektrična konstanta (tabela 1) je definirana kot sposobnost (kapaciteta) materiala za skladiščenje električnega naboja in prehod elektromagnetne energije, ko je izpostavljen takšnemu polju (von Hippel, A. R. 1954). Lahko jo razložimo tudi kot merilo sposobnosti materiala v elektromagnetnem polju, da se polarizira in s tem reagira na širjenje elektromagnetnega valovanja (Olhoeft, G. R 1981). Hitrost radarskih valov skozi material je definirana z enačbo (1):

ε =C

V (1)

e – dielektrična konstanta C – hitrost svetlobe (0,2998 m v nanosekundi) V – hitrost radarske energije v materialu (m/ns) Hitrost je odvisna od električnih lastnosti snovi. Iz slike 5 je razvidno, da večja kot je dielektrična konstanta snovi, manjša je hitrost širjenja elektromagnetnega valovanja skozi snov. Slika 5: Odvisnost hitrosti valovanja od dielektrične konstante snovi (Reynolds, 1997). Na hitrost valovanja vpliva tudi količina vlage v snovi. Iz grafa na sliki 6 je razvidno, da več ko je vlage v snovi, manjša je hitrost valovanja. Zaradi dušenja signala je globinski doseg manjši, ločljivost pa boljša. (Reynolds, 1997).


12

Slika 6: Odvisnost hitrosti valovanja od poroznosti in vsebnosti vode (Reynolds, 1997). Tabela 1: Dielektrične konstante (e) nekaterih mineralov, kamnin in sedimentov (prirejeno po Telfor, W. M., Geldart, L. P. in R. E. Sherif 1990, 291). Da bi dobili pravo globino do objekta, ki je pod površjem, je potrebno poznati hitrost širjenja valovanja. Hitrost valovanja se lahko določi na dva načina (Conyers in Lucius, 1996):

� Metoda odbitih valov Pri tej metodi poznamo globino objekta in s pomočjo časa potovanja izračunamo hitrost valovanja. Ta metoda je najbolj natančna.

� Metoda direktnih valov

Material Dielektrična konstantaZrak 1

Sladka voda 80Led 3-4

Morska voda 81-88Hematit 25Kalcit 8-9

Kremen 4-5Obsidian 6-10

Kamena sol 6Suh pesek 3-5

Vlažen pesek 20-30Apnenec 4-8

Granit 5-15Gnajs 9

Peščenjak 5-12Pesek 3-105

Suh melj 3-30Vlažen melj 10-40

Glina 7-43Permafrost 4-5

Tla (povprečje) 4-29


13

Val potuje med oddajno in sprejemno anteno pod površjem po znani razdalji. Pri tej metodi se uporabljata bistatični anteni, kjer sta oddajna in sprejemna antena fizično ločeni.

V obeh primerih se hitrost valovanja izračuna z merjenjem časa, v katerem prepotuje val znano dolžino. Najpogostejši način za določevanje hitrosti pri metodi direktnih valov je CMP (Common Mid-Point) metoda (Conyers in Lucius, 1996). Pri tej metodi je pomembno, da uporabljamo bistatični anteni. To sta anteni, kjer sta oddajnik in sprejemnik med seboj fizično ločena. Meritve izvajamo tako, da postopoma večamo razdaljo med antenama in merimo čase potovanja valovanja. Na podlagi izmerjenih vrednosti izračunamo hitrosti valovanja. 1.3.2 Refleksijski koeficient Kot je bilo omenjeno že na začetku tega poglavja bo amplituda odbitega radarskega vala tem večja čim večja bo razlika v dielektrični konstanti na meji med materialoma. Jakost odboja (refleksijski koeficient) na meji med dvema materialoma za primere, kjer dielektrično konstanto poznamo lahko izračunamo z enačbo, ki jo predlagata Conyers in Goodman (1997, 34) (2):

( ) ( )[ ] ( )[ ]R = − +ε ε ε ε1 2 1 2 (2)

R = koeficient jakosti odboja na meji med materialoma (refleksijski koeficient) e1=dielektrična konstanta zgornjega materiala (plasti) e2=dielektrična konstanta spodnjega materiala (plasti)

Kot je bilo že povedano, sta druga dva fizikalna parametra, ki kontrolirata širjenje radarskih valov, sta magnetna preputnost in električna konduktivnost. Magnetna permeabilnost je merilo sposobnosti materiala, da se namagneti, ko ga postavimo v elektromagnetno polje (Sheriff, R. E. 1984). Večina tal in sedimentov je le šibko magnetnih in imajo zato le šibko magnetno permeabilnost. Medij, ki vsebuje magnetne železove minerale (magnetit, hematit, …) ima visoko magnetno permeabilnost in zato slabo prenaša elektromagnetno valovanje. Električna konduktivnost je sposobnost medija za prevajanje električnega toka (Sheriff, R. E. 1984). V okolju z visoko konduktivnostjo bo električna komponenta elektromagnetne energije oddvojena v visoko konduktivna tla in bo na ta način izgubljena. Do tega pride zato, ker se električno in magnetno polje med širjenjem medsebojno “podpirata”. Če je ena komponenta izgubljena oziroma absorbirana, celotno polje razpade. Če hočemo dobiti jasen odboj, se mora dielektrična konstanta spremeniti z globino na majhni razdalji. Če se dielektrična konstanta zmanjšuje postopoma z globino, to pomeni, da se dielektrični kontrasti med mejnimi ploskvami zmanjšujejo. Zato nastajajo precej šibki odboji. Dielektrična konstanta se lahko vzdolž profila spreminja tako lateralno kot z globino. Odvisna je od električnih lastnosti, količine vlage in litološke sestave snovi ter od letnega časa merjenja.


14

V izjemnih primerih je mogoče uspešno uporabljati georadarsko metodo tudi, ko ima snov visoko prevodnost (Appel et al., 1997), ali vsebuje večjo količino vlage (Conyers in Goodman, 1997, Basile et al., 2000). Ob tem je potrebno omeniti, da se radarska energija skozi kovino ne širi, saj jo kovinski objekti vso odbijejo. Bistvo georadarske metode je oddajanje visoko frekvenčnih radijskih (radarskih) signalov v tla in meritve časa, ki preteče od takrat, ko je bil signal poslan v tla, odbit od neke diskontinuitete pod površjem in ponovno registriran na radarski anteni. Signal radarske energije nastane na dipolni oddajni anteni, ki je postavljena neposredno na površini ali na majhni oddaljenosti od nje. Rezultirajoči val elektromagnetne energije prodira navzdol v tla, kjer se delež odbije nazaj, ko naleti na določene spremembe v sestavi tal. Diskontinuitete, kjer pride do odbojev, so običajno posledica sprememb v električnih lastnostih sedimenta ali tal, sprememb v vsebnosti vlage in litoloških sprememb. Zaradi tega pride do odbojev radarskih valov tudi na stiku arheoloških ostankov in sedimenta ali tal. 1.3.3 Izbira ustrezne oddajno-sprejemne antene Od frekvence izbrane antene je odvisna globina dosega elektromagnetnega valovanja. S frekvenco antene je v splošnem določena tudi valovna dolžina valovanja,. Standardne antene omogočajo valovanje od 10 MHz do 1000 MHz. Večja kot je želena preiskovana globina, nižje frekvence mora biti antena (tabela 2).

FREKVENCA UPORABA NAJVEČJA

GLOBINA (m)

1,5 GHz ometi, tlaki 0,5

900 MHz beton, asfalt,

plitve zemljine,

arheologija

1

400 MHz plitva geologija,

arheologija

4

200 MHz geologija 8

100 MHz geologija 20

Tabela 2: Največji globinski doseg različnih tipov anten (GSSI, 1995). Nizkofrekvenčne antene (10-120 MHz) proizvajajo valove z veliko valovno dolžino. Ti lahko pri ugodnih pogojih prodrejo do 50 m globoko, vendar pa zaznajo le velike podpovršinske objekte. Največji globinski doseg 900 MHz antene je okrog en meter ali manj, toda valovi lahko zaznajo objekte reda velikosti le nekaj cm. Faktorji, ki vplivajo na izbiro antene so (po Conyers in Goodman, 1997):

- električne in magnetne lastnosti področja, ki ga merimo, - globina struktur, - velikost in oblika struktur, - dostop do področja,


15

- prisotnost drugih električnih naprav z enako valovno dolžino kot jo ima izbrana antena.

Radarske antene so navadno postavljene na lesene ali plastične sani, ki jih vlečemo po tleh ali pa se nahajajo na vozičku nekaj cm nad tlemi. Postavimo pa jo lahko tudi neposredno na površje. Kadar uporabljamo dve anteni, ena signale oddaja, druga pa jih sprejema. Kadar pa se uporablja samo ena antena, le-ta najprej odda signal, nato pa takoj preklopi na sprejem in merjenje signala. Anteno navadno ročno vlečemo po površju vzdolž linij, ki predstavljajo mrežo raziskovanja. Hitrost premikanja je približno 2 km/h. Če pa je antena na vozičku, se lahko hitrost poveča na 10 km/h ali več. Od hitrosti vlečenja antene in časovnega intervala med oddajnimi pulzi je odvisna količina zbranih podatkov na enoto dolžine. Anteno lahko premikamo vzdolž linij tudi v korakih in merimo na točno določenih lokacijah. Lahko pa merimo na vnaprej določenih razdaljah z enakomernim vlečenjem antene. Meritve se opravljajo v enakomernih intervalih, ki jih določa mersko kolo. Antene so dveh tipov:

- monostatične: oddajnik in sprejemnik sta skupaj v enem skupnem ohišju, - bistatične: oddajnik in sprejemnik sta fizično ločena. Oddajno in sprejemno anteno

lahko poljubno premikamo. Le z uporabo bistatične antene lahko merimo hitrost radarskih valov in s tem vrednost dielektrične konstante (Conyers in Lucius, 1996). Z monostatično anteno pa lahko hitrost določamo posredno iz podatkov iz vrtin ali pa s pomočjo znane globine merjenega objekta (Reynolds, 1997). Globina do katere prodre radarska energija in valovna dolžina elektromagnetnega valovanja je deloma določena s frekvenco oddane radarske energije. Standardne radarske antene oddajajo radarsko energijo v frekvenčnem pasu od 10 MHz do 1000 MHz. Vsaka antena ima eno centralno frekvenco, vendar dejansko proizvaja radarsko energijo v veliko širšem frekvenčnem območju. 1.3.4 Dušenje radarske energije Glavna faktorja, ki opisujeta širjenje elektromagnetnega valovanja sta dušenje radarske energije in hitrost valovanja. (slika 7). Slika 7: Vpliv različnih faktorjev na dušenje (Reynolds, 1997).


16

Amplituda radarskega valovanja se zmanjšuje zaradi sferičnega razširjanja elektromagnetnega valovanja od antene. Ko se signali širijo stran od oddajnika, se amplituda zmanjša obratnosorazmerno z r2, kjer r predstavlja razdaljo širjenja valovanja (Reynolds, 1997). Do zmanjšanja amplitude pride tudi na mestih, kjer se spremenijo elektromagnetne lastnosti kamnin, saj je dušenje odvisno od električnih, magnetnih in dielektričnih lastnosti snovi ter od frekvence elektromagnetnega valovanja, kar podaja spodnja enačba (3), ki velja le za nemagnetne snovi (Reynolds, 1997):

α = ω

−+ 11

2 22

2

εω

σµε (3)

α – koeficient dušenja σ – električne lastnosti snovi µ – magnetne lastnosti snovi ε – dielektrične lastnosti snovi ω = 2πf, kjer je f frekvenca elektromagnetnega valovanja Iz enačbe (3) je razvidno, da je dušenje sorazmerno s frekvenco. Višja kot je frekvenca, močnejše je dušenje. Snovi z visoko električno prevodnostjo in s tem visoko dielektrično konstanto, ovirajo širjenje elektromagnetnega valovanja. Zato se radarska energija s prodiranjem v globino hitro duši. Na dušenje znatno vpliva tudi količina vlage in glinene komponente v snovi. Dušenje lahko s pomočjo enačbe (4) opišemo tudi z faktorjem dušenja – P:

P = ωε

σ (4)

Da dobimo dovolj jasne odboje mora biti razlika v električnih lastnostih dovolj velika, strukture pa ne smejo ležati pregloboko, tako da ostane dovolj energije, ki se bo odbila nazaj na površje (Conyers in Goodman, 1997).

1.3.5 Ločljivost Ločljivost je v geofizikalnem smislu definirana z Rayleighjevim kriterijem ločevanja dveh oblik, položenih ena poleg druge. Ločljivost je obratnosorazmerna valovni dolžini in premosorazmerna frekvenci. Kratki valovi (visoka frekvenca) zaznajo manjše objekte, vendar prodrejo manj globoko. Daljši valovi (nižja frekvenca) zaznajo le večje objekte, lahko pa prodirajo globlje. Globina prodiranja in ločljivost se zelo spreminjata in sta odvisni tudi od električnih lastnosti kamnin in dušenja (zmanjševanje amplitude). Vertikalna ločljivost je funkcija frekvence. Valovno dolžino valovanja, ki določa vertikalno ločljivost, lahko izračunamo po naslednji enačbi (5):


17

f

v=λ (5)

λ – valovna dolžina elektromagnetnega valovanja v – hitrost elektromagnetnega valovanja f – frekvenca elektromagnetnega valovanja

Iz tabele 3 je razvidno kolikšna je valovna dolžina in vertikalna ločljivost pri dani frekvenci. Tu gre le za teoretične vrednosti, saj prave vrednosti določata narava elektromagnetnega valovanja in odziv plasti na valovanje.

120 MHz 500 MHz 900 MHz

Zemljina

Valovna dolžina

(cm) 62,5 15 8

Ločljivost (cm) 15,6 3,75 2

Hribina

Valovna dolžina

(cm) 92 22 12

Ločljivost (cm) 23 5,5 3

Tabela 3: Teoretične vrednosti vertikalne ločljivosti pri različnih frekvencah anten (Reynolds, 1997).

Pri georadarskih meritvah je spodnja meja ločljivosti enaka najmanjši debelini litološke plasti, kar v praksi pomeni približno ¼ valovne dolžine (Brezigar et al., 1996). Z izbiro frekvence določamo ločljivost sistema. Višja kot je frekvenca, večja je ločljivost, vendar se s tem zmanjšuje globinski doseg (slika 8).

Slika 8: Odvisnost ločljivosti od frekvence oddajne antene (Davis in Annan, 1989).


18

Horizontalna ločljivost je definirana s prvim Fresnelovim območjem (Reynolds, 1997). Premer Fresnelovega območja, ki določa horizontalno ločljivost je (6):

2

Zr

λ= (6)

r - polmer Fresnelovega območja λ - valovna dolžina Z - globina strukture Če je struktura približno enako velika kot prvo Fresnelovo območje, je slika še jasna, če pa je manjša, se slika popači, saj večje kot je prvo Fresnelovo območje, manjša je horizontalna ločljivost (slika 9).

Slika 9: Definicija prve Fresnelove cone (Sigurdsson, 1995).

Bočna ločljivost je odvisna od širine žarka elektromagnetnih valov. Iz slike 10 je razvidno, da ožji kot je žarek, večja je bočna ločljivost. Bočna ločljivost je boljša v snoveh z nižjo hitrostjo kot pa v snoveh z višjo hitrostjo elektromagnetnega valovanja (Reynolds, 1997).

Slika 10: Bočna ločljivost je odvisna od širine žarka (Reynolds, 1997).

1.3.6 Osnovna fizikalna teorija elektromagnetnega polja Fizikalno teorijo fenomena elektromagnetnega valovanja je povzeta po objavah francoskih


19

avtorjev, ki so v zadnjih letih pri študiju možnosti uporabe georadarja v arheologiji v ospredju. Pomembne so predvsem objave, v katerih primerjajo rezultate georadarja z drugimi geofizikalnimi tehnikami (glej npr.: Camerlynck, C., Dabas, M. in C. Panissod 1994, 5-17). Če privzamemo, da se elektromagnetno valovanje širi v glavnem v vertikalni smeri lahko električno polje opišemo z naslednjo enačbo (7): d E

dzE z

2

2

2 0− =γ ( ) (7)

pri čemer je g kompleksna konstanta širjenja valovanja, ki vsebuje naslednje fizikalne veličine: s (konduktivnost), e (dielektrična konstanta) in m (magnetna permeabilnost). Relacija med njimi je podana z enačbo (8): γ εµω σµω2 2= − + i (8) Med 100 MHz in 1 GHz lahko e smatramo kot kompleksno dielektrično konstanto, ki upošteva tudi njeno spremenljivost. Kompleksno dielektrično konstanto lahko tako

zapišemo tudi v takšni obliki: ε ε ε ε= −0 ( )' ' 'i pri čemer velja: επ0 9

11

36 10= −

.Fm .

Do približno 1 GHz je e’ v glavnem neodvisna od frekvence. Meritve e’’ težko ločimo od konduktivnosti in daje rezultate, ki so odvisni od velikosti zrn, pri čemer je e’’= e’/5 za drobnozrnata tla do e’/20 za debelozrnata tla. V naslednjem koraku lahko vpeljemo tan d, ki upošteva spremembe dielektrične konstante in konduktivnosti (9):

tan ( )

' '

'δσ ωε ε

ωε ε=

+ 0

0

(9)

In na osnovi tega ponovno zapišemo enačbo g=g’+ig’’ z realnim delom g’ (10):

[ ]γ ω µε ε δ,' ' /( ( tan ) )= + −1

210

2 2 1 2 (10)

in imaginarnim delom enačbe g’’ (11):

[ ]γ ω µε ε δ' ' ' /( ( tan ) )= + +1

21 10

2 2 1 2 (11)

Lahko predpostavimo, da sta imaginarna dela konduktivnosti in magnetne susceptibilnosti enaka 0 in privzamemo za vrednost magnetne permeabilnosti tisto, ki velja za prazen prostor (mo=4p10-7 Hm-1). Kadar je d<1, se g’ in g’’ poenostavita (12):

γω

ε δ' ' tan=c

in γω

ε' ' '=c

(12)

pri čemer je c hitrost elektromagnetnega valovanja v praznem prostoru. Običajno določimo globino prodiranja valovanja z enačbo (13):


20

p =2

γ ' (13)

Faktor 2 je zato, ker upoštevamo pot v obe smeri. Če želimo uporabiti refleksijsko prospekcijo predvidevamo, da je ciljni objekt večji od valovne dolžine. V takšnem primeru bo refleksijski koeficient za refleksijo pod približno pravim kotom enak (14):

RZ Z

Z Z=

−

+2 1

2 1

(14)

s kompleksno elektromagnetno impedanco (15):

Zi

i=

+

ωµ

σ ωε (15)

Za približno enotne pogoje lahko to enačbo še nekoliko poenostavimo (16):

R =−

+

ε ε

ε ε

1 2

1 2

' '

' ' (16)

Na ta način smo prišli do enake enačbe za refleksijski koeficient (2), kot jo predlagata Conyers in Goodman (1997, 34) vendar za to ne podajata ustrezne teoretične razlage. Kot je bilo uvodoma na kratko razloženo, se radarski valovi pri prodiranju v tla ne širijo v ravni liniji temveč gre za razmeroma širok kot oddanega radarskega žarka, ki ima v profilu za posledico odboje od točkastih objektov v obliki hiperbole (slika 3). Dejansko je presek snopa radarskega signala eliptičen z daljšo osjo v smeri premikanja antene (slika 4). Če je ciljni objekt veliko manjši od eliptičnega preseka radarskega snopa na določeni globini, potem prihaja od tega objekta le del odbite energije. Zaradi tega je nemogoče ločiti pomenljivi odboj od ciljnega objekta od odbojev ozadja. Tudi takšne majhne objekte lahko odkrijemo, vendar le v primeru, če amplitude odbojev prikažemo v horizontalnih presekih po različnih globinah (ns) (Conyers L. B. in D. Goodman, 1997, 51). Ali je mogoče odkriti objekt znane velikosti z anteno določene frakvence na neki izbrani globini lahko ocenimo na osnovi izračuna po enačbi (13). Ob tem je potrebno poudariti, da je to mogoče le v primerih ko lahko določimo vsaj povprečno dielektrično konstanto.


21

Slika 11: Eliptični presek snopa radarske energije v tleh. Enačba definira geometrijo in dimenzije preseka in na različnih globinah (prirejeno po: Conyers, L. B. in D. Goodman, D. 1997, 36, slika 4). Polmer daljše osi eliptičnega preseka radarskega snopa izračunamo po enačbi (17):

AD

= ++

λ

ε4 1 (17)

A – polmer eliptičnega preseka radarskega snopa l-valovna dolžina D-razdalja od površja do reflektorja e-povprečna dielektrična konstanta do globine D Na sliki 12 vidimo, da je pri višjih vrednostih dielektrične konstante snop radarskih valov v tleh bolj strnjen in s tem je manjši tudi polmer eliptičnega preseka. Drugače povedano to pomeni, da dosegamo za anteno določene središčne frekvence (central frequency) boljšo ločljivost v tleh z večjo vlažnostjo in s tem večjo električno konduktivnostjo. Slika 12: Dielektrična konstanta (e=RPD) in približen polmer radarskega snopa na različnih globinah za 300 MHz anteno Pri izbiri antene z ustrezno središčno frekvenco moramo upoštevati naslednje dejavnike: - ocena električnih in magnetnih lastnosti celotnega območja arheološkega najdišča - pričakovana globina, na kateri se nahajajo ciljni objekti


22

- oblika in velikost arheoloških objektov, ki jih želimo odkriti - dostopnost terena in pogoji za terensko delo - prisotnost zunanjih virov elektromagnetnega valovanja enakih valovnih dolžin kot so

radarski valovi Sposobnost odkrivanja podpovršinskih objektov je kljub vsemu v največji meri odvisna od frekvence antene in s tem od valovne dolžine radarskih valov. Ker se valovna dolžina spreminja v odvisnosti od dielektrične konstante materiala, skozi katerega se širi, moramo upoštevati tudi to. Povezava med valovnimi dolžinami središčnih frekvenc anten v zraku in valovnih dolžin v materialih z različnimi dielektričnimi konstantami je prikazana v tabeli 4. Tabela 4: Valovne dolžine središčnih frekvenc različnih radarskih anten in spremembe valovnih dolžin pri širjenju radarskih valov skozi materiale z različnimi dielektričnimi konstantami (e) (prirejeno po: Conyers, L. B. in D. Goodman 1997, 45). Ob tem je potrebno omeniti še omejitev, ki izhaja iz dejstva, da moramo za cel georadarski profil uporabiti eno samo nastavitev merilnega območja (ns). Zato moramo določiti samo povprečne parametre za nastavitev instrumenta. Fizikalni primeri v georadarskem profilu se spreminjajo tudi v horizontalni smeri vendar današnji način zajemanja in analize podatkov ne dopuščata korekcije teh sprememb. V bližnji prihodnosti bo predhodno modeliranje za napovedovanje dejanskih radarskih zapisov izboljšalo interpretacijo (Camerlynck, C., Dabas, M. in Panissod, C. 1994, 13). Kako je v praksi odvisna ločljivost od frekvence antene je prikazano na preprostem primeru (slika 13) ene plasti s kontrastno dielektrično konstanto nasproti tlem, v katerih se nahaja. Z visokofrekvenčnimi valovi ugotovimo zgornjo (A) in spodnjo mejo (ploskev) (B). Rezultirajoči val (C) se odbije od obeh ploskev, ker je debelina pasti (dD) večja od valovne dolžine. Srednje frekvenčni valovi (D) definirajo zgornjo in spodnjo mejo in rezultirajoči val (F) le stežka zazna obe meji, ker je valovna dolžina približno enaka dD. Z nizko frekvenčnimi valovi zanesljivo določimo samo zgornjo mejo (G). Ker je debelina plasti manjša od valovne dolžine (H), nastane z interferenco med obema valoma rezultirajoči val (I) in je lahko zato določena le zgornja meja.

Središčna frekvenca Valovna dolžina(MHz) v zraku e=5 e=15 e=25

1000 0,3 0,13 0,08 0,06900 0,33 0,15 0,09 0,07500 0,6 0,27 0,15 0,12300 1 0,45 0,26 0,2120 2,5 1,12 0,65 0,5100 3 1,34 0,77 0,680 3,75 1,68 0,97 0,7540 7,5 3,35 1,94 1,532 9,38 4,19 2,42 1,8820 15 6,71 3,87 310 30 13,42 7,75 6


23

Slika 13: Ločljivost zgorje in spodnje stratigrafske meje pri različnih frekvencah antene (prirejeno po: Conyers, L. B. in D. Goodman 1997, 54, slika 12). Starejše ceste so ustrezen primer horizontalnega reflektorja oziroma tanke plasti z močnim kontrastom v dielektrični konstanti, ki se spremeni praktično na kontaktu med cesto in tlemi, v katerih se nahaja. Na ta način lahko z realnimi podatki potrdim ugotovitve, ki veljajo za razlago k sliki 13 (C). Kadar gre samo za tanko plast utrjenega peščenega materiala, dobimo s 500 MHz anteno praviloma izrazite odboje od zgornje in spodnje ploskve stratigrafske enote, ki je v tem primeru cesta (slika 14).

Slika 14: Ivančna Gorica. Pedosekvenca na glinah in ilovicah. Georadarski profil s 500 MHz anteno poteka približno pravokotno na smer srednjeveške ceste, ki je bila predhodno odkrita z geoelektričnim kartiranjem. Arheološko testno sondiranje je pokazalo, da je cesta zgrajena iz dobro utrjenega peščenega nasutja z ohranjenimi kolesnicami. Na drugem primeru iz Mrzlega polja pri Ivančni Gorici vidimo radarski zapis starejše ceste (slika 16), ki je bila odkrita pri arheoloških izkopavanjih Narodnega muzeja v Ljubljani pod vodstvom arheologa Tomaža Nabergoja. Meritve s 500 MHz anteno smo izvajali neposredno ob odprtem izkopnem polju (slika 15). V tem primeru gre za večplastni sistem, sestavljen iz stratigrafskih horizontov, ki jih predstavljajo različne vrste nasutja za utrjevanje ceste.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

razdalja (m)

0

0,5

1

1,5

2

glob

ina

(m)

C E S T A


24

Slika 15: Ivančna Gorica – Mrzlo polje. Pedosekvenca na glinah in ilovicah. Arheološko izkopno polje z vertikalnim prerezom ceste, ki je bila v uporabi dalj časa in so vidne številne faze različnega načina utrjevanja. Potek meritev s 500 MHz anteno. Na sliki 16 vidimo številne odboje od horizontalnih plasti, ki predstavljajo različne faze utrjevanja ceste. Slika 16: Ivančna Gorica – Mrzlo polje. Pedosekvenca na glinah in ilovicah. Izpis radarskih odbojev od več stratigrafskih enot. Georadarske raziskave v arheologiji običajno izvajamo na ravnih površinah. Če želimo tudi na topografsko razgibanem terenu prikazati položaj objektov, ki povzročajo radarske odboje v pravilnem položaju, moramo uporabiti t.im. topografsko korekcijo. Na sliki 17 so prikazani rezultati raziskave na Ljubljanskem barju, kjer smo želeli na delu ohranjenega starega rečnega korita Ljubljanice ugotoviti ali obstajajo plasti, ki bi jih lahko pripisali rečnim sedimentom. Glede na topografsko korigirane georadarske profile sklepamo, da so bili na dnu nekdanjega rečnega korita odloženi sedimenti z bistveno nižjo dielektričnostjo. Te rezultate lahko uporabimo za oceno potenciala georadarske metode za ugotavljanje poteka nekdanjega rečnega korita tudi drugod na Ljubljanskem barju, kjer je nekdanje rečno korito izravnano z današnjim površjem.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

razdalja (m)

0

0,5

1

1,5

glob

ina

(m)

C E S T A


25

Georadarske raziskave so postale resnično uporabne za arheologijo šele z razvojem mikroračunalnikov in prikazovanjem rezultatov v horizontalnih prerezih glede na povratne čase radaraskih odbojev, ki jih pretvorimo v ustrezne globnske sekcije. Zaradi praviloma majhnih arheoloških tarč je za arheološko izpovedni rezultat potrebno veliko število radarskih profilov, kjer si ne moremo veliko pomagati z zamudno in velikokrat neproduktivno interpretacijo posameznih profilov. Slika 17: Ljubljansko Barje. Topografska korekcija georadarskega profila z 200 MHz anteno čez nekdanje rečno korito Ljubljanice. Ta problem je z združevanjem georadarskih profilov in prikazovanjem rezultatov glede na čase odbojev rešil D. Goodman s sodelavci (1995, 85-89). Po tej predlogi smo vpeljali preprost postopek za prikazovanje georadarskih odbojev v tlorisu (slika 18). Slika 18: Lumbarda na Korčuli. Pedosekvenca na glinah in ilovicah. Horizontalni prerez 46 različno orientiranih radarskih profilov za čase odbojev 30 ns. Kadar je razmerje signal/šum na strani signala oziroma odbojev, ki so posledica arheoloških ostankov, lahko za vhodne podatke uporabimo kar “surove” vrednosti, sicer radarske profile najprej “zgladimo” s filtrom visokih frekvenc (low pass filter). Ker imajo radarski odboji pozitivno in negativno amplitudo je ustrezneje, če uporabimo absolutne vrednosti (RHslice 1.1, Dimitrij Mlekuž ©). Rezultati so povsem primerljivi tistim, ki jih je objavil D. Goodman s sodelavci (1995, 85-89). Na sliki 18 so prikazani rezultati georadarske raziskave v Lumbardi na Korčuli, kjer smo z uporabo tega programa dokazali, da na tej lokaciji ni grškega grobišča, kot smo pričakovali

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

razdalja (m)

Kanal zapolnjen z vodo in ledom

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 504

6

8

10

12

14

16

18

15


26

glede na rezultate arheloških izkopavanj v bližini, temveč gre za dobro ohranjene arhitekturne ostanke. Po mnenju vodje projekta Miroslava Katića so lahko antične starosti. Na sliki 19 je prikazan detajl iz tega območja, kjer vidimo horizontalne preseke glede na čase odbojev. Na ta način lahko ocenimo, globino, višino in stopnjo ohranjenosti zidov. A B Slika 19: Primer sekvence horizontalnih rezov enakih amplitud radarskih odbojev za različne povratne čase radarskih odbojev (v ns) na antičnih najdiščih v Lumbardi na Korčuli (A) in v Saloni (B). 1.4 Primeri georadarskih raziskav 1.4.1 Način izvajanja terenskih meritev Pri površinskem kartiranju z georadarjem je najboljša metoda postavitev mreže na površino preiskovanega terena. Praviloma se postavljajo pravokotne mreže, katerih vogali so vpeti na nacionalno geodetsko mrežo. Kakšen razmak med profili je najprimernejši pri uporabi georadarske metode? Odvisen je od časa, ki je na razpolago, in dodatnega potrebnega časa za obdelavo podatkov (Meats, 1996). Conyers in Goodman (1997) predlagata razmak med profili najmanj polovica najkrajše valovne dolžine signala. Pri večjem presledku lahko izgubimo pomemben del informacije, kar pa vpliva na končno interpretacijo. Za študijske georadarske meritve na Dolgih njivah smo se odločili na osnovi zelo dobrih rezultatov geoelektričnega kartiranja. Ker pa geoelektrično kartiranje večinoma ne daje informacij o globini preiskovanih objektov in stopnji ohranjenosti le-teh, jo georadarska metoda v teh segmentih pomembno dopolnjuje. Postavili smo pravokotni mreži, eno s pol metrskim presledkom in drugo z metrskim presledkom, kar nam je glede na znano velikost objektov, dalo dovolj informacij.

30 ns

35ns

40ns

45ns


27

Pravokotno mrežo smo postavili s teodolitom, kar je omogočilo točno prostorsko umestitev dobljenih podatkov. Vpeli smo jo v nacionalno Gauss-Kruegerjevo koordinatno mrežo. Merjenje smo izvajali na dva načina. Pri prvem načinu smo anteno vlekli vedno iz iste smeri kvadranta, pri drugem pa smo anteno vlekli cik-cak. To pomeni, da smo anteno vlekli v obe smeri. Če vlečemo anteno cik-cak, je potrebno profile pri obdelavi rotirati, in sicer tako, da rotiramo vsak parni profil. Pri meritvah smo uporabljali georadar SIR-3000 (Geophysical Survey Systems, GSSI), monostatični anteni 200 MHz in 500 MHz. Meritve smo v glavnem izvajali z 200 MHz anteno (slika 20).

Slika 20: Meritve z 200 MHz anteno. Profili so potekali v smeri zahod-vzhod, le na območju stavbe II in svetišča v smeri jug-sever (Slika 25). Razmak med profili je pri stavbah II, VI, VII in svetišču znašal 0,5 m, pri ostalih območjih pa 1 m. 500 Mhz anteno smo uporabili le pri meritvah na območju svetišča. Z anteno, ki ima boljšo ločljivost, vendar manjšo zmožnost globinskega prodiranja, smo izmerili svetišče, ker smo s predhodno geoelektrično upornostno metodo kot tudi z 200 MHz anteno ugotovili manjši obodni zid, ki pa je bil v obeh primerih slabo viden. Uporaba 500 MHz antene je bila v tem primeru povsem upravičena. Skupna površina izmerjena z georadarsko metodo znaša 8470 m2, število profilov je 432, povprečna dolžina znaša 30 m, skupna dolžina profilov je 12891 m, meritve so potekale šest dni. Pri meritvah smo sodelovali Simon Premrl, Jurij Soklič, Igor Medarič in dr. Branko Mušič. Glede na večkratne poizkuse pri različnih nastavitvah smo se odločili za slednje, ki so v danih pogojih dali najboljše rezultate. Nastavitve 200 MHz antene:

- število vzorcev na sled: 1024 - število bitov na vzorec: 16 - število sledi na sekundo: 64 - število sledi na meter: 50 - globinski doseg: 80 ns - dielektrična konstanta: 16


28

Nastavitve 500 MHz antene:

- število vzorcev na sled: 512 - število bitov na vzorec: 16 - število sledi na sekundo: 64 - število sledi na meter: 40 - globinski doseg: 45 ns - dielektrična konstanta: 16

1.4.2 Postopki obdelave podatkov Postopek obdelave podatkov, ki ga izberemo, je odvisen od časa, ki ga imamo na razpolago, kvalitete podatkov in programske opreme. Podatki, vidni na zaslonu med terenskim meritvami, nam nudijo le okvirno informacijo o dejanskem stanju na terenu. Pri prepoznavanju značilnih in predvsem pomembnih odbojev problem predstavljajo po večini razni šumi. Le-ti se lahko pojavijo zaradi topografske razgibanosti terena, različnih lastnosti preiskovanih plasti, napak pri merjenju oziroma vlečenju antene ali pa zaradi šumov naprav, ki prav tako uporabljajo elektromagnetne valove (Reynolds, 1997). Zaradi tega je potrebno vse terensko zbrane podatke dodatno obdelati in s tem doseči jasno in razumljivo sliko struktur pod površjem. Prvi korak obdelave podatkov je filtriranje podatkov z namenom doseči jasnejšo sliko. Šumi lahko popačijo sliko, le-te pa lahko odstranimo s filtri. Izbira ustreznih filtrov za zmanjševanje ali celo odstranjevanje šumov je odvisna od okolja merjenja, katerega moteči dejavniki so lahko vlažnost ali pa prisotnost glinene komponente v zemljini.

1.4.2.1 Filtri za odstranjevanje šumov

Podatki, pridobljeni neposredno po končanih meritvah, so še surovi podatki (raw data), saj vsebujejo veliko število raznih šumov, ki bolj ali manj zakrivajo pomembne informacije o strukturah pod površjem in vplivajo na končno interpretacijo. Zaradi tega je potrebno surove podatke najprej obdelati z uporabo primernih filtrov. Šumi nastanejo zaradi različnih faktorjev, ki vplivajo na kakovost izvajanja meritev. Povzroča jih lahko že sama naprava, ko je doseg merjenja približno enak zmogljivosti antene, različni tipi zemljin z značilnimi električnimi lastnostmi, različne vrste vegetacije na površju, zunanje elektromagnetne naprave, ki uporabljajo enako frekvenčno območje kot oddajna antena, razgibanost površja, ko antena ni v stiku s podlago in se del signala kontinuirano odbija med površjem in anteno in ne prodre pod površje, šume povzročajo tudi objekti pod površjem, ki niso predmet raziskav, kot na primer korenine, infrastruktura. Filtriranje uporabljamo za odstranjevanje šumov in napak nastalih med izvajanjem meritev (tabela 5).


29

Vrsta šuma Vrsta filtriranja

Horizontalni šumi

- Horizontalni

visoko prepustni

filter

- Vertikalni

visoko prepustni

filter

- Filter za

odstranjevanje

ozadja

Visoko frekvenčni

šumi

- Vertikalni nizko

prepustni filter

- Horizontalni

nizko prepustni

filter

Podvojeni odboji

(Ringing Multiples)

- Zglajevanje

(deconvolution)

Določevanje točke

izvora odboja

- Migracija

Povečanje vidnosti

nizko amplitudnih

odbojev

- Aritmetične

funkcije

- Okrepitev

signala

Zaznavanje tanjših

plasti

- Hilbertova

transformacija

Izboljšani in jasnejši

podatki

- Aritmetične

funkcije

- Statične

korekcije

Tabela 5: Vrste šumov in metode filtriranja (GSSI, 2003).

Najpogostejši tip filtriranja je odstranjevanje horizontalnih odbojev, ki se pojavijo med merjenjem. Ti odboji lahko zakrijejo ostale odboje, ki so pomembni ali pa celo ključni za interpretacijo. Večina programov ima možnost odstranitve omenjenih odbojev s preprostim aritmetičnim procesom; le-ta sešteje vse amplitude odbojev, ki so bili sočasno posneti vzdolž profila, in jih deli s številom sledi. Rezultat procesa je odstranitev srednje vrednosti, katera predstavlja povprečje vseh šumov. Pri odstranjevanju šumov je potrebno biti pozoren na obliko radarskih odbojev predvsem pri horizontalnih plasteh. Sicer se lahko zgodi, da filtriranje odstrani preveč odbojev, med katerimi so lahko bili tudi najpomembnejši, ki bi lahko predstavljajo značilne geološke in arheološke strukture pod površjem.


30

Spodnji diagram (slika 21) prikazuje postopek obdelave podatkov od surovih podatkov, dobljenih neposredno na terenu, do podatkov, ki jih lahko uporabimo pri interpretaciji.

Slika 21: Diagram poteka procesov filtriranja.

1.4.2.1.1 Umerjanje razdalj (Distance Normalization) V primeru, da izvajamo meritve na časovni način, je potrebno surove podatke popraviti, saj dolžine profilov ne ustrezajo izmerjeni razdalji. To nam omogoča funkcija DistNorm, ki časovne intervale pretvori v intervale razdalj (slika 22). Na ta način smo izvajali meritve s 500 MHz anteno. Dolžina profilov je znašala 20 m, razmak med profili pa 0,5 m. Slika 22: Primer funkcije umerjanje razdalj (Distance Normalization) pri merjenju s časovnim načinom. Zgornji profil je surov profil, spodnji pa je umerjen.

1.4.2.1.2 Odstranjevanje ozadja (Background removal)


31

Šumi nastanejo zaradi razgibanosti površja ali različnih tipov vegetacije (visoka trava, gozdnata področja). Kažejo se kot horizontalna plast tik pod površjem in nam lahko zakrijejo pomembne informacije o plitvo ležečih strukturah. V tem primeru je uporaba filtra za odstranjevanje ozadja smotrna. Filter odstrani nizko frekvenčne šume iz ozadja (slika 23). Pri 200 Mhz anteni je bila uporabljenih 1024 sledi, pri 500 Mhz anteni pa 512 sledi.

Slika 23: Primer uporabe filtra za odstranjevanje ozadja (Background removal).

1.4.2.1.3 Filter, ki prepušča nizke frekvence (Low-pass filter) Filter uporabljamo pri odstranjevanju visokofrekvenčnih šumov, ki nastanejo kadar je doseg antene približno enak njeni zmogljivosti. Šumi se na radarskem profilu prikazujejo kot »sneženje« (snow-like). Filter prepusti vse frekvence, ki so manjše kot mejna predhodno določena frekvenca, in odstrani višje frekvenčne šume. Pri obdelavi podatkov je mejna vrednost znašala 400 MHz (slika 24). Slika 24: Primer uporabe nizko in visoko prepustnega filtra.

1.4.2.1.4 Filter, ki prepušča visoke frekvence (High-pass filter) Filter uporabljamo, kadar imajo nezaželeni šumi nižjo frekvenco, kot je frekvenca signala oddajne antene. Šumi, odstranjeni s tem filtrom, so šumi naprave ali antene in šumi zaradi razgibanosti površja. Pri obdelavi podatkov je znašala mejna vrednost 200 MHz (slika 24).


32

1.4.2.1.5 Zglajevanje (Deconvolution) Lažni odboji se pojavijo takrat, ko ostane radarski signal ujet med objektom (kovina, vlažna glina) in anteno in nam tako zakriva informacije v nižjih globinah. Zglajevanje se imenuje metoda za odstranjevanje tovrstnih šumov (slika 25). Slednja temelji na spoznanju, da se delu elektromagnetnega vala pri prodiranju pod površje spremeni oblika ali pa se ukrivi. Takrat filter odstrani del elektromagnetnega vala, ki se je med oddajanjem ukrivil ali spremenil obliko. Proces obnovi ukrivljene valove v profilu v izvirnem vzorcu in prikaže podatke s popravljenim izgledom. Tako lahko s to tehniko identificiramo nekatere težko določljive odboje. Poglavitna težava pri procesu zglajevanja je v tem, da je za popravljanje odbitih valov potrebno narediti veliko testov, saj je oblika izvirnega vala neznana. Slika 25: Primer uporabe zglajevanja (Deconvolution).

1.4.2.1.6 Migracija (Migration) Odboje od vertikalnih struktur na radarskih profilih navadno dobimo v obliki hiperbol (slika 26). V primeru, da je več vertikalnih struktur tesno skupaj, nam hiperbole zakrijejo točke izvora odbojev. Migracija je dvodimenzionalni proces, ki spremeni odbojne hiperbole in natančno določi izvorne točke odbojev (Fisher et al., 1992). Migracija ni standardna tehnika, saj je lahko zelo dolgotrajna in draga. V večini primerov je potrebno pri interpretaciji uporabljati tudi radarske profile brez procesov migracije, saj lahko iz točke hiperbol identificiramo podpovršinske anomalije, ki predstavljajo geološke ali arheološke objekte. Včasih pa nam lahko procesi migracije tudi zakrijejo pomembne informacije. Poznamo dva tipa migracije. Prva je hiperbolična migracija, ki je hitrejša, druga pa je Kirchoffova migracija, ki je počasnejša, vendar točnejša, saj izboljša ločljivost. Zaradi tega je bila pri obdelavi podatkov uporabljena Kirchoffova migracija.


33

Slika 26: Primer uporabe procesov Kirchhoffove migracije.

1.4.2.1.7 Okrepitev signala (Range Gain)

Ko radarski signal potuje skozi snov, se del signala odbije, del se absorbira, del pa potuje naprej. Globlje ko gre signal, šibkejši postaja. Zato uporabimo funkcijo Range Gain, ki nam šibkejše signale ojača, da postanejo vidnejši (slika 27). S funkcijo Range Gain lahko povsod enakomerno ojačamo odboje na celotnem radarskem profilu, v horizontalni (x) ali vertikalni (y) smeri. Slika 27: Primer uporabe funkcije za okrepitev signala (Range gain).

1.4.2.1.8 Hilbertova transformacija (Hilbert transformation) Pri georadarski metodi je oblika in amplituda odboja najvažnejši del informacije. Podatke lahko s pomočjo Hilbertove transformacije pretvorimo v amplitudno, frekvenčno in fazno informacijo (slika 28). Amplitudna informacija (envelope) je mera za intenziteto odbojev, frekvenčna informacija nam kaže, kako se radarski signal obnaša med prodiranjem skozi snov, fazna informacija pa jasnejše kaže na spremembe dielektričnosti v snovi. Hilbertova transformacija predstavlja zvezo med amplitudo in fazo signala, kar omogoča rekonstrukcijo faze signala z njegovo amplitudo. Hilbertove transformacije se navadno uporabljajo za prikaz slabo opaznih dielektričnih lastnosti snovi.


34

Slika 28: Primer uporabe Hilbertove transformacije.

1.4.2.2 Določanje globine reflektorjev Z merjenjem dielektrične konstante ali s poznavanjem prave hitrosti elektromagnetnega valovanja skozi snov lahko čase valovanja pretvorimo v globino, ki nam pove, kako globoko se nahaja iskani objekt. Pogosto se zgodi, da na terenu ne moremo direktno meriti dielektrične konstante. Vzrok temu je spreminjanje dielektričnosti na samem terenu tako vzdolž profilov kot tudi z globino. Dielektrično konstanto se lahko najbolj natančno določi z laboratorijskimi meritvami različnih vzorcev. Hitrosti valovanja, s pomočjo katerih lahko tudi določamo globino penetracije valovanja, pa lahko merimo le z direktno metodo (CMP) določanja hitrosti valovanja, pri kateri je potrebno uporabiti bistatični anteni. Za razlago postopka empiričnega določanja hitrosti širjenja radarskih signalov je uporbljen primer iz georadarske raziskave na Dolgih njivah (Vrhnika), kjer so bile uporabljene le monostatične antene. Pri določanju hitrosti signalov smo se opirali na izkopavanja Mikl Curkove (1974), ki v svojem delu omenja, da so pri raziskovanju na parceli 1065 v relativni globini do 0,75 m našli vrhnje plasti temelja obzidja. Na radarskih profilih jugovzhodnega stolpa se kažejo vrhnje plasti obzidja na globini 18 nanosekund, kar pomeni približno 0,95 m. Tako znaša razlika, med podatki iz izkopavanj in med podatki, dobljenimi z georadarskimi meritvami 20 cm. Za ugotovitev prave globine je bilo potrebno narediti korekcijo globin. Pri georadarskih meritvah, kjer smo dobili vrhnjo plast obzidja na globini 0,95 m, je znašala vrednost dielektrične konstante 8. Pri korekciji, ki se je nanašala na izkopavanja Mikl Curkove (1974), je bilo potrebno popraviti dielektrično konstanto, tako da sta se globini, in sicer tista dobljena z georadarsko metodo, ujemala z globino ugotovljeno pri izkopavanjih. S poizkušanjem vstavljanja različnih vrednosti dielektrične konstante v vzorčni profil smo ugotovili njeno pravo vrednost, ki znašala približno 13, globina pa 0,75 m (slika 29). Glede na različne vrednosti dielektričnih konstant prsti, mulja in vlažne gline (tabela 1) sklepamo, da je dobljena vrednost dielektrične konstante realna..


35

Slika 29: Profil 56 na območju jugovzhodnega stolpa, ki smo ga uporabljali za oceno dielektrične konstante (zgoraj) in s tem prave globine struktur (spodaj).

1.4.2.3 Tipologija radarskih odbojev Pri določanju radarskih odbojev opazimo na 2-D profilih več vrst odbojev. Različne vrste odbojev se pojavijo zaradi različnih oblik izmerjenih objektov. Tako lahko ločimo več vrst radarskih odbojev (razširjeno po Bevanu, 1996): 1. Odboji od navpičnih struktur Ti odboji so lahko glede na amplitudo močni (visoka amplituda) ali šibki (nizka amplituda). Vertikalni odboji na profilih predstavljajo zidove. 2. Odboji od vodoravnih struktur Odboje od horizontalnih struktur povzročajo horizontalne plasti. Plasti so lahko pravilne ali pa nepravilne. Le-te povzročajo leče drugačnega tipa snovi, kot je zgrajena okolica. Na profilih kažejo nepravilne plasti na hodno površin oziroma tlak. 3. Kaotični odboji Kaotične odboje povzročajo kovinski objekti ali zračni žepi pod površjem. Lahko pa jih povzročajo tudi, kot v našem primeru, ruševinske plasti. 4. Podvojeni odboji Podvojeni odboji (Ringing multiples) nastanejo takrat, ko se radarski signal zaporedoma odbija od objekta (kovine) pod površjem in anteno. 1.5 Primeri georadarskih raziskav 1.5.1 Primeri georadarskih raziskav na območju antičnih mest


36

1.5.1.1 Sagalassos (Turčija)

Slika 30: Sagalassos (Turčija). NA rezultatih megnetometrije (Geometrics G-858) so dobro vidne številne magnetne anomalije arhitekturnih ostankov vzhodnega stanovanjskega kompleksa (residential area) Sagalassosa in številnih obrtnih delavnic na lončarski četrti (potter’s quarter). Rdeče polje centru slike označuje področje raziskano zn georadarjem (slika 31).

A B

Slika 31: Sagalassos (Turčija). Primer uporabe georadarja za 3D prikaze in interpretacijo arhitekturnih ostankov. Položajj tega področja je označen na magnetogramu na sliki 30. Najpogosteje se uporabljajo prikazi jakosti radarskih signalov v time slices načinu (A), kjer dobimo serijo horizontalnih rezov (tlorisov) vzporednih radarskih profilov na izbranih globinah. Vedno pogosteje se uporablja tudi 3D vizualizacija radarskih odbojev, ki vključuje interaktivno interpretacijo značilnih anomaij (B)


37

1.5.1.2 Tanagra (Grčija)

A

Slika 32: Tanagra (Grčija). Razultati geoelektričnega kartiranja na primeru kompleksne situacije antičnega mesta na površini 6 ha (A). Na sliki B vidimo rezultate upornostne metode na območju zgodnjekrščanske cerkve. Položaj je prikazan na sliki A.

A B

Slika 33: Tanagra (Grčija). Rezultati georadarske raziskave na območju zgodnjekrščanske cerkve, ki smo jo odkrlli z magnetno metodo in geoelektričnim kartiranjem (slika 32). Podrobni tloris cerkve viden na horizontalnih rezih (A) in 3D prikazih (B) ilustrira izredno učinkovitost georadarske metode na območju antičnega mesta, kjer se arhitekturni ostanki nahajajo pod ruševinskimi plastmi.


38

1.5.2 Primeri georadarskih raziskav v urbanih območjih 1.5.2.1 Sisak - Siscia

A B

Slika 34: Sisak-Siscia, Sv. Kvirin (Hrvaška). Učinkovitost geoelektričnega kartiranja v urbanem okolju je omejena, ker je lahko na ta način raziskujemo samo travnate parkovne površine, vrtove ipd. Tudi kadar je temu pogoju zadoščeno, gre praviloma za kompleksne situacije z infrastrukturnimi objekti in ruševinskimi plastmi v nivoju arheoloških ostankov. Geoelektrično kartiranje (A) v urbanih okoljih uporabljamo običajno za bolj splošni vpogled v arheološko potencialno zanimiva območja za učinkovitejšo strategijo georadarske raziskave. Na sliki B je primer rezultatov georadarske raziskave v zahtevnih pogojih v urbanem okolju. Na horizontalnih rezih georadarskih profilih vidimo številne zidove, ki na rezultatih geoelektričnega kartiranja zaradi visokoupornostnega učinka ruševinskih plasti, niso vidni (B).

1.5.3 Primeri georadarskih raziskav na pedosekvencah na glinah 1.5.3.1 Vrhnika - Nauportus


39

Slika 35: Vrhnika-Nauportus. Rezultati geoeletričnega kartiranja (Geoscan RM15) omogoajo rekonstrukcijo tlorisa antičnega kompleksa s skladiščnimi prostori. Za območji A i B so prikazani rezultati georadaske metode na sliki 36. Številne vzpredne linije visoke upornosti predstavljajo odziv suhozidnatih temeljev skladiščnih prostorov iz apnenčevih lomljencev. S everne, vzhodne in južne strani sledimo obzidju s stolpom na vzhodni liniji obzidja. Poleg številnh drugih arhitekturnih elementov zlahka prepoznamo tudi baze stebrov v linijah nadstreškov kakor tuid v notranjosti nekaterih stavb. Širok pas nizkih vrednosti upornosti vzporedno z vzhodnim in južnim obzidjem je posledica dobre namočenosti materiala v polnilu obrambnega jaka.

Slika 36: Vrhnika – Nauportus. Horizontalni rezi georadarskih profilov na obmčjih označenih z A in B (slika 35). Georadarska metoda omogoča prepoznavanje in do neke mere tudi analizo faznosti gradnje (A). To je mogoče na podlagi medsebojnih prostorskih odnosov zidov, kar se odraža v njihovih različnih globinah, višini ohranjenosti in usmerjenosti. Na georadarskih presekih na obmoju B prepoznamo obzidje, stolp s prehodom in tlakovano površino na zunanji strani obzidja.

Documents

Georadarska metoda 1 - University of Ljubljanaarheologija.ff.uni-lj.si/sites/arheologija.ff.uni-lj.si/files/Dokumenti/Studij/gradiva/... · 1.2.2 Splošni cilji georadarske raziskave