Seizmika v archeológii

Bibiana Brixová

SEIZMIKA

• geofyzikálna metóda

• skúma stavbu zemskej kôry pomocou

umelo vybudených elastických vĺn

rozloženie vrstiev

hĺbka, tvar a charakter rozhraní

zdroj energie

(dynamit, vibroseiz,...)

prijímač

(geofón,...)

šírenie sa elastického vlnenia horninovým prostredím

zaznamenávanie časov príchodu seizmickej vlny na povrch

(arrival times)

zmeny v amplitúde, frekvencii, fáze

fyzikálne vlastnosti hornín

rozloženie vrstiev

t

vzdialenosť od zdroja

Ercan Erkul, Wolfgang Rabbel, Harald Stümpel, Susanne Wölz and many students Institute of Geosciences Geophysical Department

Christian-Albrechts-University at Kiel

niektore časti sú prevzaté z prednášok univerzity v Kiele

Seizmika v archeológii

Čo je seizmika

- základy šírenia seizmických vĺn

- prospekčné metódy: reflexná, refrakčná

Príklady

- Near shore reflection seismics (Viking city of Haithabu)

- 3D refrakčná seizmika v Miletos (Turkey)

- prospekcia tumuli

5

Seismic Exploration of the Earth‘s crust

6

7

some

km

VLNY V SEIZMICKOM PRIESKUME

povrchové vlny šíršnie po povrchu

Rayleighove vlny -šírenie objemovej a strižnej deformácie

-kmitanie častíc po elipsách vo vertikálnej rovine

-disperzné zmena rýchlosti s frekvenciou

- vr = 0,9 vs

Loveove vlny -podmienka vzniku: na volnom polpriestore

existuje vrstva s konečnou hrúbkou kde

vS vo vrstve < vS v polpriestore

-kmitanie častíc v horizontálnej rovine kolmo

na smer šírenia

- vS v polpriestore > vL > vS vo vrstve zdroj

Body Waves P vlny

S vlny

*zd

roj

(zemetrase

nie)

prijímačpovrchové vlny

Body Waves

Two types of seismic waves (“body waves”)

Compressional waves

(P-waves)

Shear waves

(S-waves)

Animation by Dr. Dan Russell, Kettering University http://www.kettering.edu/~drussell/demos.html

Rýchlosti šírenia sa seizmických vĺn

Vp Vs

vlny v seizmickom prieskume

užitočné *

rušivé (šum) * vlny

priama vlna

povrchové vlny

odrazená vlna

čelná vlna

vlny z hĺbky

od seizmických rozhraní

-šírenie prostredím nad rozhraním

- odraz do toho istého prostredia

-šírenie pozdĺž rozhrania

- rýchlosť šírenia podložie

rozhranie

zdroj

metódy

seizmického prieskumu

reflexná seizmika metóda odrazených vĺn

refrakčná seizmika metóda čelných vĺn

v2

v1

i

*zdroj geofóny

i

čelná vlna

v v 2 1>

v2

v1

*zdroj geofóny

a1 odrazená vlna

a1

zvuková vlna

*

*

*

*

*

-šíri sa od zdroja

priamo ku geofónom

Graf závislosti času príchodu seizmickej vlny do bodu registrácie (T)

a vzdialenosti tohto bodu od zdroja vlnenia (X)

HODOCHRONA

šírenie seizmických vĺn

*X

T

XT

ZDROJ PR

IJÍM

AČ

PR

IJÍM

AČ

PR

IJÍM

AČ

PR

IJÍM

AČ

PR

IJÍM

AČ

PR

IJÍM

AČ

zdanlivá rýchlosť

– rýchlosť určená zo sklonu hodochrony

sklon (slope) = 1/Vzd

- rýchlosť pohybu vlny pozdĺž zem.povrchu

X

Tvzd

Refrakčná a reflexná seizmika

used for

seismic

refraction

used for

seismic

reflection

hodochrona

Príklady seizmického prieskumu

v archeológii

Vertical seismic profiling at the KTB site Haithabu, N Germany (9-10th century A.D)

Vertical seismic profiling at the KTB site Haithabu, N Germany / Viking city (9-10th century A.D)

100 m

H. Stümpel and Co-workers (1982, 1989)

Haithabu / Seismic reflection profiling

H. Stümpel and Co-workers (1982, 1989)

Haithabu / Seismic reflection profiling

Haithabu / Seismic reflection profiling

PROCESING

spracovanie dát

MIGRÁCIA

REFLEXNÁ SEIZMIKA

• proces, pri ktorom sa body presúvajú

do miesta ich pôvodu

• rieši geometrickú repozíciu vracajúceho sa

seizmického signálu k objasneniu polohy

vrstiev,cez ktoré seizmické vlny prešli

Je určená pre:

• sklonené rozhrania

• zakrívené rozhrania

• difrakčné zóny

Cieľ migrácie:

reálny obraz podložných štruktúr

• kolaps difrakčných javov

• správny sklon a pozícia sklonených

prvkov

• vylepšenie rozlíšenia

GEOLOGICKÝ MODEL ZERO-OFFSET SECTION

Haithabu / Reflection profiling

H. Stümpel and Co-workers (1982, 1989)

Haithabu / Seismic reflection profiling

H. Stümpel and Co-workers (1982, 1989)

Recent development: HR-3D near shore seismics

Vertical seismic profiling at the KTB site Miletos, Turkey / Greek colony (7th cent. B.C.)

Miletos, Turkey / Greek colony (7th cent. B.C.) Miletos, Turkey / Greek colony (7th cent. B.C.)

Lions’ Harbour

Kalabak Tepe

Miletos / magnetic survey

Miletos, Lions’ Harbour / magnetic investigation

Miletos, Lions’ Harbour / Seismic investigations

Seismic refraction interpretation

hodochrony priamej a čelnej vlny

Miletos, Lions’ Harbor / 2½D seismic mapping of bedrock

distance

ancient

sealevel?

traveltim

e

reduce

d t

raveltim

e

depth

delay time mapping

Lions’ Harbour / magnetics and 3D seismic model

magnetic map

3D seismic model

S-wave

tomographic image

Miletos, Turkey / Kalabak tepe / seismic survey

Kalabak Tepe ~ „umelá stolová hora“

high clay content GPR, EM

conglomerate, deep Magnetics

HR 3D-seismic refraction

Vertical seismic profiling at the KTB site Geophysical Exploration of Tumuli

Set-up of the prospection problem

Tumuli exploration = cavity detection

Seizmická refrakcia – lokalizácia hrobky

- umožní selektívny odkryv bez porušenia

tumulusu

Rozloženie geofónov – pozdĺž kruhového profilu po obvode

tumulusu

Zdroj – generovanie akustických vĺn na vrchu

monumentu

Princíp detekcie dutín (hrobiek) – oneskorenie príchodu vĺn zazanamenané na

niektorých geofónoch je spôsobené

prítomnosťou prístupovej rampy vybudovanej

v neporušenej pôde na uľahčenie konštrukcie

hrobky

2.Rampa na prepravu muriva

1.jama 3. Vybudovanie hrobky

4. Po pohrebe dostavanie navŕšenie tumulusu

Set-up of the prospection problem

Severné Grécko - tumuli v blízkosti dediny Toumpa

Rampa oneskorila príchod vĺn do geofónov línie M1

Rozdiel časov odpovedajúcich geofónov je v rozmedzí 9 – 16 ms (20%)

Set-up of the prospection problem

Severné Grécko - tumuli v blízkosti dediny Mesiano

Viac ako 25% omeškanie vĺn na geofónoch 80 a 200

Vykopávky na základe výsledku seizm. Prieskumu

-anomália v oblasti geofónu 200 ako dôsledok jamy,

z ktorej bol materiál použitý na navŕšenie tumulusu

Vertical seismic profiling at the KTB site Geophysical Exploration of Tumuli

Set-up of the prospection problem

Ktorá geofyzikálna metóda?

- magnetics

- gravimetry

- geoelectric

- georadar (GPR)

- seismic

parameter contrast

Δκ, Δρ, Δσ, Δε, Δν

size-to-depth

relation

Príklad:

cavity or tunnel: Ø ~5 m,

beneath 10-40 m of soil,

coverage: clay, sand, gravel

Seismic

distance

de

pth

Seismic

100 m

20 m

Seismic

distance

de

pth

Seismic

100 m

20 m

Seismic

distance

de

pth

Seismic

100 m

20 m

Seismic

distance

de

pth

Seismic

100 m

20 m

Seismic

distance

de

pth

Seismic

100 m

20 m

Seismic

distance

de

pth

Seismic

100 m

20 m

Seismic

distance

de

pth

Seismic

100 m

20 m

Seismic response of a cavity

with cavity

distance 0 -200 m

without cavity

distance 0 -200 m

travel

time

0.0 s

0.2 s

Subsurface parameters

P wave velocity: 800 m/s

S wave velocity: 400 m/s

density: 1700 kg/m3

cavity walls: hardrock

Seismic response of a cavity

with cavity

distance 0 -200 m

without cavity

distance 0 -200 m

travel

time

0.0 s

0.2 s

travel

time

0.0 s

0.2 s

seismic cavity response Subsurface parameters

compressional wave velocity: 800 m/s

shear wave velocity: 400 m/s

density: 1700 kg/m3

cavity walls: hardrock

Seismic response of a cavity

with cavity

distance 0 -200 m

without cavity

distance 0 -200 m

travel

time

0.0 s

0.2 s

travel

time

0.0 s

0.2 s

Locating cavity response function

- signal frequency 100 Hz

- 3D dense sensor coverage

- non-standard data processing

time-consuming + not cheap

BUT: No serious depth limitation

seismic cavity response

Maltepe, Bergama (Turkey)

Maltepe, Bergama (Turkey)

Maltepe, Bergama (Turkey)

Katarinka 2011

Annika , Franziska, Daniel, Lars,

Marian, Johannes, Florian

Location: Katarinka monastery Brief history: -15th century chappel -1617 St. Katarina appeard to earl Appony -1618 build on land of earl Erdődy -22th july 1786 closed due to decree of emperor Jozef II. -at the end of the 18th century it became a ruin -september 2011 important geophysical research

Seismics

Tachymetry and technical leveling

Near surface geophysics in archaeology / Seismics

ZHRNUTIE

Kedy využívať seizmiku v prospekčnej archeológii

- podmorské ciele

- geologická situácia

- „hlboké ciele“ (nedosiahnuteľné magnetikou, georadarom ...)

Čo je seizmika

- P- a S-vlny

- reflexná and refrakčná

historické príklady

- plytká reflexná seizmika ... prístav vikingského osídlenia Haithabu

- 3D S-wave refrakčná seizmika ... Lion Harbour a Kalabaktepe Miletos

- S-wave reflexná seizmika ... tumuli prieskum v Pergamon

- reflexná seizmika ..... tumuli prieskum Grécko