Anwendungen der geophysik in der arch ologie
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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

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Anwendungen der Geophysik in der Archäologie

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Presentation Transcript


Anwendungen der geophysik in der arch ologie

Anwendungen der Geophysik in der Archäologie

Konstantin Kirsch 06.08.2013


Inhalt der pr sentation

Inhalt der Präsentation

  • Motivation

  • Erkundungsmöglichkeiten

  • Traditionelle Verfahren

  • Allgemeine Vorgehensweise

  • Moderne Verfahren/Techniken

    • Geomagnetik

    • Geoelektrik

    • Georadar

  • Ergänzende Verfahren

    • Thermische Prospektion

    • KleinskaligeSuszeptibilitätsmessung

  • Zusammenfassung


Motivation

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


Erkundungsm glichkeiten

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

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

Allgemeine Vorgehensweise


Moderne verfahren techniken

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 techniken1

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 techniken2

Moderne Verfahren/Techniken

  • Geomagnetik

  • Eingesetztes Gerät: Fluxgatemagnetometer

  • 4 Messsonden

  • Wird von einer Person

    getragen

  • Auf abgestecktem Mess-

    feld an Messpunkten

    positioniert


Moderne verfahren techniken3

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


Moderne verfahren techniken4

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)


Moderne verfahren techniken5

Geomagnetische Prospektion des Siedlungshügels auf 11 ha Fläche

Rekonstruierte Siedlung

Moderne Verfahren/Techniken


Moderne verfahren methoden

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 methoden1

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:


Moderne verfahren methoden2

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:


Moderne verfahren methoden3

Messonden in Wenner-Anordnung in Olympia

Geoelektrische 2D Tomographie Länge: 100m, Tiefe: 9m

Moderne Verfahren/Methoden

  • Geoelektrik


Moderne verfahren methoden4

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 methoden5

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 methoden6

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


Moderne verfahren methoden7

Ausgrabungsstelle, Villa mit erhaltenen Wänden und Mosaikfußboden

Moderne Verfahren/Methoden

  • Georadar


Erg nzende verfahren

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


Erg nzende verfahren1

Schematische Darstellung des Prinzips thermischer Unterschiede im Untergrund

Ergänzende Verfahren

  • Thermische Prospektion

  • Thermische Materialunterschiede führen zu Temperaturunterschieden auf der Erdoberfläche


Erg nzende verfahren2

Wärmebild eines Feldes – Strukturen im Untergrund sind erkennbar

Ergänzende Verfahren

  • Thermische Prospektion


Erg nzende verfahren3

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


Erg nzende verfahren4

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


Moderne verfahren techniken6

Einsatz eines Kappameters während einer Ausgrabung

Moderne Verfahren/Techniken

  • KleinskaligeSuszeptibilitätsmessung


Zusammenfassung

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

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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