Anwendungen der Geophysik in der Archäologie Konstantin Kirsch 06.08.2013

Inhalt der Präsentation Motivation Erkundungsmöglichkeiten Traditionelle Verfahren Allgemeine Vorgehensweise Moderne Verfahren/Techniken Geomagnetik Geoelektrik Georadar Ergänzende Verfahren Thermische Prospektion Kleinskalige Suszeptibilitätsmessung Zusammenfassung

Motivation 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

Erkundungsmöglichkeiten 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

Traditionelle Verfahren 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

Allgemeine Vorgehensweise

Moderne Verfahren/Techniken 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

Moderne Verfahren/Techniken Geomagnetik Eingesetztes Gerät: Fluxgatemagnetometer 4 Messsonden Wird von einer Person getragen Auf abgestecktem Mess- feld an Messpunkten positioniert

Moderne Verfahren/Techniken Geomagnetik Berichte von Bauern über Fund von Scherben, Werkzeugen auf umliegenden Feldern Vermutete Siedlung im markierten Bereich Luftbild mit erkennbaren Ringstrukturen Luftbild einer vermuteten Frühbronzezeitlichen Siedlung bei Vráble-Slowakei

Moderne Verfahren/Techniken Geomagnetik Dunkle Bereiche sind Bereiche höherer Flussdichte Diese enthalten Oberboden mit eisen- haltigen Mineralen (Indiz für Verfüllungen) Luftbild mit erkennbaren Ringstrukturen Geomagnetische Prospektion des Siedlungsfügels auf 11 ha Fläche

Moderne Verfahren/Techniken Rekonstruierte Siedlung Geomagnetische Prospektion des Siedlungshügels auf 11 ha Fläche

Moderne Verfahren/Methoden 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: ρ 𝑠 =𝐾∗ 𝑈 𝐼 [Ω𝑚] ρ 𝑠 :𝑠𝑝𝑒𝑧𝑖𝑓. 𝑊𝑖𝑑𝑒𝑟𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑 𝐾:𝐺𝑒𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑒𝑓𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 𝑈:𝑆𝑝𝑎𝑛𝑛𝑢𝑛𝑔 𝐼: 𝑆𝑡𝑟𝑜𝑚

Moderne Verfahren/Methoden 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: 𝐾=2∗π∗𝑎 𝑑≈ 𝐿 3 ≈𝑎

Moderne Verfahren/Methoden Geoelektrik Geoelektrische 2D Tomographie Länge: 100m, Tiefe: 9m Messonden in Wenner-Anordnung in Olympia

Moderne Verfahren/Methoden 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

Moderne Verfahren/Methoden 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

Moderne Verfahren/Methoden 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

Moderne Verfahren/Methoden Georadar Ausgrabungsstelle, Villa mit erhaltenen Wänden und Mosaikfußboden

Thermische Prospektion Ergänzende Verfahren 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

Thermische Prospektion Ergänzende Verfahren Thermische Prospektion Thermische Materialunterschiede führen zu Temperaturunterschieden auf der Erdoberfläche Schematische Darstellung des Prinzips thermischer Unterschiede im Untergrund

Thermische Prospektion Ergänzende Verfahren Thermische Prospektion Wärmebild eines Feldes – Strukturen im Untergrund sind erkennbar

Thermische Prospektion Ergänzende Verfahren 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 Ergänzende Verfahren 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

Moderne Verfahren/Techniken 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/