Anwendungen der Geophysik in der Archäologie

1. Anwendungen der Geophysik in der Archäologie Konstantin Kirsch 06.08.2013

2. Inhalt der Präsentation • Motivation • Erkundungsmöglichkeiten • Traditionelle Verfahren • Allgemeine Vorgehensweise • Moderne Verfahren/Techniken • Geomagnetik • Geoelektrik • Georadar • Ergänzende Verfahren • Thermische Prospektion • KleinskaligeSuszeptibilitätsmessung • Zusammenfassung

3. 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

4. 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

5. 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

6. Allgemeine Vorgehensweise

7. 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

8. 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

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

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

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

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

13. 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

14. 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:

15. 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:

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

17. 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

18. 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

19. Luftbild Ortschaft Nußdorf-Debant, Österreich Georadarmessung; Vermutete Funde: Osten: Badehaus, Westen-Mitte: Villa Moderne Verfahren/Methoden • Georadar • Dokumentierte Römische Siedlung • Bereits vielfach getätigte Ausgrabungen vorhanden • Vermutete römische Villa im markierten Bereich

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

21. 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

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

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

24. 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

25. Ergänzende Verfahren • KleinskaligeSuszeptibilitätsmessung • Untersuchte Eigenschaft: Suszeptibilität • Methode und Einsatzbereich: • Untersuchung von Bereichen die eine Anomalie bei der Geomagnetischen Messung aufweisen, allerdings keine archäologischen Fundstücke enthalten (ghostfeatures) • 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

26. Einsatz eines Kappameters während einer Ausgrabung Moderne Verfahren/Techniken • KleinskaligeSuszeptibilitätsmessung

27. 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)

28. 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/