Badania geofizyczne (archeologia)

Mapa oporności elektrycznej starożytnych Afrodyzji

W archeologii badania geofizyczne to naziemne techniki wykrywania fizycznego stosowane do obrazowania lub mapowania archeologicznego . Teledetekcja i badania morskie są również wykorzystywane w archeologii, ale ogólnie są uważane za odrębne dyscypliny. Inne terminy, takie jak „prospekcja geofizyczna” i „geofizyka archeologiczna”, są na ogół synonimami.

Przegląd

Badania geofizyczne służą do tworzenia map podpowierzchniowych obiektów archeologicznych . Obiekty są nieprzenośną częścią zapisu archeologicznego , niezależnie od tego, czy są to konstrukcje stojące, czy ślady działalności człowieka pozostawione w glebie . Instrumenty geofizyczne mogą wykrywać zakopane obiekty, gdy ich właściwości fizyczne wyraźnie kontrastują z otoczeniem. mogą zostać wykryte również pojedyncze artefakty , zwłaszcza metalowe. Odczyty wykonane w systematyczny sposób stają się zbiorem danych , który można renderować jako mapy obrazów. Wyniki badań mogą być wykorzystane do kierowania wykopaliskami i zapewnienia archeologom wglądu w układ niezbadanych części stanowiska. W przeciwieństwie do innych metod archeologicznych , badania geofizyczne nie są ani inwazyjne, ani destrukcyjne. Z tego powodu jest często używany tam, gdzie celem jest konserwacja (a nie wykopaliska) i aby uniknąć naruszania wrażliwych kulturowo miejsc, takich jak cmentarze .

Chociaż badania geofizyczne były stosowane w przeszłości z okresowymi sukcesami, dobre wyniki są bardzo prawdopodobne, jeśli są stosowane w odpowiedni sposób. Jest najbardziej przydatny, gdy jest używany w dobrze zintegrowanym projekcie badawczym, w którym można testować i udoskonalać interpretacje. Zarówno projekt badania, jak i interpretacja wymagają znajomości zapisu archeologicznego i sposobu jego wyrażania geofizycznego. Odpowiednie oprzyrządowanie, projekt badania i przetwarzanie danych są niezbędne do osiągnięcia sukcesu i muszą być dostosowane do unikalnej geologii i zapisów archeologicznych każdego stanowiska. ^{[ potrzebne źródło ]} W terenie kontrola jakości danych i dokładności przestrzennej ma kluczowe znaczenie.

Metody

Badanie przewodności EM

Metody geofizyczne stosowane w archeologii są w dużej mierze adaptacją metod stosowanych w eksploracji minerałów, inżynierii i geologii . Mapowanie archeologiczne stwarza jednak wyjątkowe wyzwania, które pobudziły odrębny rozwój metod i sprzętu. Ogólnie rzecz biorąc, zastosowania geologiczne dotyczą wykrywania stosunkowo dużych struktur, często tak głęboko, jak to możliwe. W przeciwieństwie do tego, większość stanowisk archeologicznych znajduje się stosunkowo blisko powierzchni, często w obrębie górnego metra ziemi. Instrumenty są często konfigurowane tak, aby ograniczyć głębokość odpowiedzi, aby lepiej rozwiązywać zjawiska bliskie powierzchni, które mogą być interesujące. Kolejnym wyzwaniem jest wykrycie subtelnych i często bardzo małych cech – które mogą być tak efemeryczne, jak plamy organiczne z rozkładających się drewnianych słupków – i odróżnienie ich od skał, korzeni i innych naturalnych „zaśmieceń”. Aby to osiągnąć, wymagana jest nie tylko czułość, ale także duża gęstość punktów danych, zwykle co najmniej jeden, a czasem kilkadziesiąt odczytów na metr kwadratowy.

W archeologii najczęściej stosowane są magnetometry , mierniki rezystancji elektrycznej , radary penetrujące grunt (GPR) i mierniki przewodnictwa elektromagnetycznego (EM). Metody te mogą rozwiązywać wiele rodzajów obiektów archeologicznych, umożliwiają badania z dużą gęstością próbek na bardzo dużych obszarach i działają w szerokim zakresie warunków. Chociaż zwykłe wykrywacze metali są czujnikami geofizycznymi, nie są w stanie generować obrazów o wysokiej rozdzielczości. Inne znane i powstające technologie również znajdują zastosowanie w zastosowaniach archeologicznych.

Mierniki rezystancji elektrycznej można traktować jako podobne do omomierzy używanych do testowania obwodów elektrycznych. W większości systemów metalowe sondy są wkładane do ziemi w celu uzyskania odczytu lokalnej rezystancji elektrycznej. Stosowane są różne konfiguracje sond, z których większość ma cztery sondy, często montowane na sztywnej ramie. Opracowano również systemy sprzężone pojemnościowo, które nie wymagają bezpośredniego fizycznego kontaktu z glebą. Cechy archeologiczne można mapować, gdy mają wyższą lub niższą rezystywność niż ich otoczenie. Kamienny fundament może utrudniać przepływ prądu, podczas gdy osady organiczne w środku mogą przewodzić prąd łatwiej niż otaczająca je gleba. Chociaż powszechnie stosowane w archeologii do mapowania w widoku z góry, metody oporności mają również ograniczoną zdolność do rozróżniania głębokości i tworzenia profili pionowych (patrz Tomografia oporności elektrycznej ).

do pomiaru przewodnictwa elektromagnetycznego (EM) mają odpowiedź porównywalną do mierników rezystancji (przewodność jest odwrotnością rezystancji). Podziemne obiekty archeologiczne są wykrywane przez tworzenie pola magnetycznego poprzez zastosowanie prądu elektrycznego o znanej częstotliwości i wielkości przez cewkę nadawczą. Prądy pobudzają prąd wtórny w przewodach podziemnych, który jest odbierany przez cewkę odbiorczą. Zmiany przewodnictwa podziemnego mogą wskazywać na zakopane obiekty. Chociaż przyrządy do pomiaru przewodnictwa EM są generalnie mniej czułe na te same zjawiska niż mierniki rezystancji, mają one szereg unikalnych właściwości. Zaletą jest to, że nie wymagają bezpośredniego kontaktu z ziemią i mogą być stosowane w warunkach niesprzyjających miernikom rezystancji. Kolejną zaletą jest relatywnie większa prędkość niż w przypadku instrumentów oporowych. W przeciwieństwie do przyrządów oporowych, mierniki przewodnictwa silnie reagują na metal. Może to być wadą, gdy metal jest obcy dla zapisu archeologicznego, ale może być przydatny, gdy metal ma znaczenie archeologiczne. Niektóre przyrządy do pomiaru przewodności EM są również w stanie mierzyć podatność magnetyczną , właściwość, która staje się coraz ważniejsza w badaniach archeologicznych.

Mapa gradientu magnetycznego prehistorycznych palenisk

Magnetometry stosowane w badaniach geofizycznych mogą wykorzystywać pojedynczy czujnik do pomiaru całkowitego natężenia pola magnetycznego lub mogą wykorzystywać dwa (czasami więcej) oddzielone przestrzennie czujniki do pomiaru gradientu pola magnetycznego (różnica między czujnikami). W większości zastosowań archeologicznych preferowana jest ta druga konfiguracja ( gradiometr ), ponieważ zapewnia lepszą rozdzielczość małych zjawisk bliskopowierzchniowych. Magnetometry mogą również wykorzystywać wiele różnych typów czujników. Magnetometry precesji protonów zostały w dużej mierze zastąpione szybszymi i bardziej czułymi instrumentami z bramką strumienia i cezem.

Każdy rodzaj materiału ma unikalne właściwości magnetyczne, nawet te, o których nie myślimy jako „magnetyczne”. Różne materiały znajdujące się pod ziemią mogą powodować lokalne zakłócenia w polu magnetycznym Ziemi, które są wykrywalne za pomocą czułych magnetometrów. Magnetometry bardzo silnie reagują na żelazo i stal, cegłę, spaloną glebę i wiele rodzajów skał, a cechy archeologiczne złożone z tych materiałów są bardzo wykrywalne. Tam, gdzie nie występują te silnie magnetyczne materiały, często możliwe jest wykrycie bardzo subtelnych anomalii spowodowanych przez naruszone gleby lub rozkładające się materiały organiczne. Głównym ograniczeniem badania magnetometrem jest to, że subtelne interesujące cechy mogą być zasłonięte przez wysoce magnetyczne materiały geologiczne lub nowoczesne.

badanie georadarowe

Radar penetrujący ziemię (GPR) jest prawdopodobnie najbardziej znaną z tych metod (choć nie jest najszerzej stosowany w archeologii). Pojęcie radaru jest znane większości ludzi. W tym przypadku sygnał radarowy – impuls elektromagnetyczny – jest kierowany w ziemię. Obiekty podpowierzchniowe i stratygrafia (warstwy) spowodują odbicia, które są odbierane przez odbiornik. Czas podróży odbitego sygnału wskazuje głębokość. Dane mogą być wykreślane jako profile lub jako mapy z widokiem z góry izolujące określone głębokości.

Georadar może być potężnym narzędziem w sprzyjających warunkach (idealne są jednolite gleby piaszczyste). Jest wyjątkowy zarówno pod względem zdolności do wykrywania małych przestrzennie obiektów na stosunkowo dużych głębokościach, jak i zdolności do rozróżniania głębokości źródeł anomalii. Główną wadą georadaru jest to, że jest on poważnie ograniczony przez warunki dalekie od idealnych. Wysoka przewodność elektryczna drobnoziarnistych osadów (iły i muły) powoduje przewodzące straty mocy sygnału; skaliste lub niejednorodne osady rozpraszają sygnał georadarowy.

Wykrywacze metali wykorzystują indukcję elektromagnetyczną do wykrywania metalu. Chociaż inne rodzaje przyrządów (zwłaszcza magnetometry i mierniki przewodnictwa elektromagnetycznego) mają pewną czułość na metale, specjalistyczne wykrywacze metali są znacznie bardziej skuteczne. Wykrywacze metali są dostępne w różnych konfiguracjach, różniących się stopniem zaawansowania i czułością. Większość z nich ma pewną zdolność rozróżniania różnych typów metalowych celów.

Zwykłe ręczne wykrywacze metali są szeroko stosowane przez archeologów. Większość z tych instrumentów nie tworzy rejestrowanego zbioru danych i tym samym nie może być wykorzystana do bezpośredniego tworzenia map, ale stosowana w sposób systematyczny może być użytecznym narzędziem w badaniach archeologicznych. Czasami do takich detektorów dołączane są zewnętrzne rejestratory danych, które zbierają informacje o wykrytych materiałach i odpowiadające im współrzędne GPS do dalszego przetwarzania. Niewłaściwe użycie tych instrumentów na stanowiskach archeologicznych przez poszukiwaczy skarbów i kolekcjonerów artefaktów było poważnym problemem w ochronie archeologicznej, jednak w tej dziedzinie pojawiają się wspólne wysiłki między wykwalifikowanymi operatorami amatorami a zespołami akademickimi.

Chociaż nie są tak powszechnie stosowane w archeologii, dostępne są wyrafinowane wykrywacze metali o znacznie większej czułości niż modele ręczne. Instrumenty te są w stanie rejestrować dane i wyrafinowaną dyskryminację celu. Mogą być montowane na wózkach kołowych do zbierania danych pomiarowych.

Lidar ( RADAR ŚWIETLNY ) to optyczna technologia teledetekcji, która może mierzyć odległość do celu poprzez oświetlanie celu światłem , często za pomocą impulsów lasera . Lidar ma wiele zastosowań w dziedzinie archeologii, w tym pomoc w planowaniu kampanii terenowych, mapowaniu obiektów pod okapem lasu oraz zapewnianiu przeglądu szerokich, ciągłych obiektów, które mogą być nie do odróżnienia na ziemi. Lidar może również zapewnić archeologom możliwość tworzenia cyfrowych modeli wysokości (DEM) stanowisk archeologicznych o wysokiej rozdzielczości, które mogą ujawnić mikrotopografię, która w przeciwnym razie byłaby ukryta przez roślinność. Produkty pochodzące z lidaru można łatwo zintegrować z systemem informacji geograficznej (GIS) w celu analizy i interpretacji.

Gromadzenie danych jest zasadniczo podobne, niezależnie od konkretnego przyrządu pomiarowego. Badanie zwykle polega na chodzeniu z instrumentem wzdłuż blisko rozmieszczonych równoległych trawersów, dokonując odczytów w regularnych odstępach czasu. W większości przypadków obszar, który ma być mierzony, jest wytyczony w serię kwadratowych lub prostokątnych „siatek” pomiarowych (terminologia może się różnić). Z rogami siatek jako znanymi punktami odniesienia, operator instrumentu używa taśm lub oznaczonych lin jako wskazówek podczas zbierania danych. W ten sposób błąd pozycjonowania można ograniczyć do kilku centymetrów w przypadku mapowania w wysokiej rozdzielczości. Opracowano systemy geodezyjne ze zintegrowanymi systemami pozycjonowania globalnego (GPS), ale w warunkach terenowych obecnie dostępne systemy nie mają wystarczającej precyzji do mapowania archeologicznego w wysokiej rozdzielczości. Instrumenty geofizyczne (zwłaszcza wykrywacze metali) mogą być również wykorzystywane do mniej formalnego „skanowania” obszarów zainteresowania.

Przetwarzanie danych i obrazowanie przekształcają surowe dane liczbowe w interpretowalne mapy. Przetwarzanie danych zwykle obejmuje usuwanie statystycznych wartości odstających i szumów oraz interpolację punktów danych. Filtry statystyczne mogą być zaprojektowane tak, aby uwydatniać interesujące cechy (w oparciu o rozmiar, siłę, orientację lub inne kryteria) lub tłumić przesłaniające współczesne lub naturalne zjawiska. Odwrotne modelowanie cech archeologicznych na podstawie obserwowanych danych staje się coraz ważniejsze. Przetworzone dane są zazwyczaj renderowane jako obrazy, mapy konturowe lub fałszywe reliefy. Kiedy dane geofizyczne są renderowane graficznie, interpretator może bardziej intuicyjnie rozpoznawać wzorce kulturowe i naturalne oraz wizualizować zjawiska fizyczne powodujące wykryte anomalie.

Badanie geofizyczne z wykorzystaniem magnetometru

Rozwój

Badanie magnetyczne w zamku Pembroke przeprowadzone przez Andile Cele

Wykorzystanie badań geofizycznych jest dobrze ugruntowane w archeologii europejskiej, zwłaszcza w Wielkiej Brytanii, gdzie było pionierem w latach czterdziestych i pięćdziesiątych XX wieku. Jest coraz częściej stosowany w innych częściach świata iz coraz większym powodzeniem, ponieważ techniki są dostosowywane do unikalnych warunków regionalnych.

We wczesnych badaniach pomiary były rejestrowane indywidualnie i wykreślane ręcznie. Chociaż czasami uzyskiwano użyteczne wyniki, praktyczne zastosowania były ograniczone przez ogromną ilość wymaganej pracy. Przetwarzanie danych było minimalne, a gęstość próbek była z konieczności niska.

Chociaż czułość czujników uległa poprawie i opracowano nowe metody, najważniejszymi osiągnięciami były zautomatyzowane rejestrowanie danych i komputery do obsługi i przetwarzania dużych ilości danych. Ciągłe doskonalenie wydajności i automatyzacji sprzętu pomiarowego umożliwiło szybkie badanie dużych obszarów. Szybkie gromadzenie danych sprawiło również, że osiągnięcie dużej gęstości próbek niezbędnej do rozwiązania małych lub subtelnych cech stało się praktyczne. Postępy w oprogramowaniu do przetwarzania i obrazowania umożliwiły wykrywanie, wyświetlanie i interpretację subtelnych wzorców archeologicznych w danych geofizycznych.

Zobacz też

Dalsza lektura

Ogólny przegląd metod geofizycznych w archeologii można znaleźć w następujących pracach:

Clark, Anthony J. (1996). Widząc pod ziemią. Metody poszukiwawcze w archeologii . Londyn, Wielka Brytania: BT Batsford Ltd.
Gaffney, Chris; Johna Gatera (2003). Ujawnianie pogrzebanej przeszłości: geofizyka dla archeologów . Stroud, Wielka Brytania: Tempus.
Witten, Alan (2006). Podręcznik geofizyki i archeologii . Londyn, Wielka Brytania: Equinox Publishing Ltd.

Linki zewnętrzne