Anwendungen der Geophysik in der Archäologie
Konstantin Kirsch 06.08.2013
Konstantin Kirsch – Anwendungen der Geophysik in der Archäologie 06.08.2013 | 2
Inhalt der Präsentation
• Motivation
• Erkundungsmöglichkeiten
• Traditionelle Verfahren
• Allgemeine Vorgehensweise
• Moderne Verfahren/Techniken
– Geomagnetik– Geoelektrik– Georadar
• Ergänzende Verfahren
– Thermische Prospektion– Kleinskalige Suszeptibilitätsmessung
• Zusammenfassung
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• Zerstörungsfreie Untersuchung
– Kein Graben– Keine Bohrungen/Bohrproben– Keine Sondierungen
• Kostengünstige und schnelle Flächenuntersuchung
• Bekannte und zuverlässige Technik
• Bei Bauvorhaben:
– Flächen können zeitnah während der Planung auf archäologische Fundstellen untersucht werden
– Änderungen vor Baubeginn möglich Kostenersparnis
Motivation
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• Altlasten- und Deponieuntersuchung
– Lokalisierung von Leckagen in Abdichtungen und Sickerwasser
• Untersuchung von Baugrund und Bauwerken
– Dichtigkeitsprüfung von Erddämmen und Deichen
• Untersuchung des Grundwasser
– Vorkommen– Wegigkeit
• Lagerstätten für Ton, Kies, Sand
• Prospektion in der Archäologie
Erkundungsmöglichkeiten
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• Oberflächenbegehung, auch Survey oder Bodenbegehung genannt
– Untersuchung auf Störzonen– Bodenfunde durch Ausgrabungen– Studium schriftlicher Aufzeichnungen um Standort von
Siedlungen/Bauwerken zu ergründen
• Luftbildarchäologie
– Untersuchung:
–Schattenmerkmale - bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen–Bewuchsmerkmale - Pflanzenwachstum gestört–Bodenmerkmale - Unterschiede in der Bodenfärbung
– Aktuell vermehrt eingesetzt:
–3D-Geodäsie (Erdvermessung) durch Fotografie in 2 Ebenen möglich
–Laserscan-Befliegung
Traditionelle Verfahren
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Allgemeine Vorgehensweise
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• 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
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• 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
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• Geomagnetik• Eingesetztes Gerät: Fluxgatemagnetometer
• 4 Messsonden
• Wird von einer Person
getragen
• Auf abgestecktem Mess-
feld an Messpunkten
positioniert
Moderne Verfahren/Techniken
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• Geomagnetik
• Berichte von Bauern über Fund von Scherben, Werkzeugen auf umliegenden Feldern
• Vermutete Siedlung im markierten Bereich
Moderne Verfahren/Techniken
Luftbild einer vermuteten Frühbronzezeitlichen
Siedlung bei Vráble-Slowakei
Luftbild mit erkennbaren Ringstrukturen
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• Geomagnetik
• Dunkle Bereiche sind Bereiche höherer
Flussdichte
• Diese enthalten Oberboden mit eisen-
haltigen Mineralen (Indiz für Verfüllungen)
Moderne Verfahren/Techniken
Geomagnetische Prospektion des
Siedlungsfügels auf 11 ha Fläche
Luftbild mit erkennbaren Ringstrukturen
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Moderne Verfahren/Techniken
Geomagnetische Prospektion des Siedlungshügels auf 11 ha Fläche
Rekonstruierte Siedlung
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• 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
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• 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:
Moderne Verfahren/Methoden
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• 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:
Moderne Verfahren/Methoden
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• Geoelektrik
Moderne Verfahren/Methoden
Messonden in Wenner-Anordnung in Olympia
Geoelektrische 2D Tomographie Länge: 100m, Tiefe: 9m
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• 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
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• 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
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• Georadar
• Dokumentierte Römische Siedlung
• Bereits vielfach getätigte Ausgrabungen vorhanden
• Vermutete römische Villa im markierten Bereich
Moderne Verfahren/Methoden
Luftbild Ortschaft Nußdorf-Debant, Österreich
Georadarmessung; Vermutete Funde: Osten: Badehaus, Westen-Mitte: Villa
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• Georadar
Moderne Verfahren/Methoden
Ausgrabungsstelle, Villa mit erhaltenen Wänden und Mosaikfußboden
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• Thermische Prospektion• Untersuchte Eigenschaft: Temperaturgradienten
• Methode und Einsatzbereich:
– Im Bodenbefindliche Strukturen unterscheiden sich in den thermischen Eigenschaften vom umgebenden Boden (Wärmeleitfähigkeit, Wärmespeicherkapazität)
– Bei konst. Perioden der Erwärmung/Abkühlung über mehrere Tage lässt sich diese Eigenschaft mithilfe von Wärmebildkameras untersuchen
– Boden über einer Struktur kühlt/erwärmt sich langsamer als der umgebende Erdboden
Ergänzende Verfahren
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• Thermische Prospektion• Thermische Materialunterschiede führen zu
Temperaturunterschieden auf der Erdoberfläche
Ergänzende Verfahren
Schematische Darstellung des Prinzips thermischer Unterschiede im Untergrund
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• Thermische Prospektion
Ergänzende Verfahren
Wärmebild eines Feldes – Strukturen im Untergrund sind erkennbar
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• 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
Ergänzende Verfahren
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• 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
Ergänzende Verfahren
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• Kleinskalige Suszeptibilitätsmessung
Moderne Verfahren/Techniken
Einsatz eines Kappameters während einer Ausgrabung
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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)
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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/
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