Badania geofizyczne (archeologia) - Geophysical survey (archaeology)

Mapa oporu elektrycznego starożytnych Afrodyzji

W archeologii , badania geofizyczne są techniki wykrywania fizyczny naziemne wykorzystywane do obrazowania archeologicznych lub mapowania. Teledetekcja i pomiary morskie są również wykorzystywane w archeologii, ale ogólnie uważa się je za odrębne dyscypliny. Inne terminy, takie jak „prognoza geofizyczna” i „geofizyka archeologiczna” są zazwyczaj synonimami.

Przegląd

Badania geofizyczne służą do tworzenia map podpowierzchniowych obiektów archeologicznych . Nieprzenośną częścią zapisu archeologicznego są obiekty , czy to stojące konstrukcje, czy ślady działalności człowieka pozostawione w glebie . Instrumenty geofizyczne mogą wykrywać zakopane obiekty, gdy ich właściwości fizyczne w mierzalny sposób kontrastują z otoczeniem. W niektórych przypadkach można również wykryć pojedyncze artefakty , zwłaszcza metalowe. Odczyty dokonywane w systematyczny sposób stają się zbiorem danych, który można renderować jako mapy obrazów. Wyniki ankiety mogą być wykorzystane do prowadzenia prac wykopaliskowych i dać archeologom wgląd w układy nieodkopanych części terenu. W przeciwieństwie do innych metod archeologicznych , badania geofizyczne nie są ani inwazyjne, ani destrukcyjne. Z tego powodu jest często stosowany tam, gdzie celem jest ochrona (a nie wykopaliska) i aby uniknąć naruszania miejsc wrażliwych kulturowo , takich jak cmentarze .

Chociaż pomiary geofizyczne były stosowane w przeszłości z przerywanym powodzeniem, dobre wyniki są bardzo prawdopodobne, gdy są odpowiednio stosowane. Jest najbardziej przydatny, gdy jest używany w dobrze zintegrowanym projekcie badawczym, w którym można testować i udoskonalać interpretacje. Interpretacja wymaga znajomości zarówno zapisu archeologicznego, jak i sposobu jego wyrażania geofizycznego. Odpowiednie oprzyrządowanie, projekt badań i przetwarzanie danych są niezbędne do osiągnięcia sukcesu i muszą być dostosowane do unikalnych danych geologicznych i archeologicznych każdego miejsca. W terenie krytyczna jest kontrola jakości danych i dokładności przestrzennej.

Metody

Badanie przewodności EM

Metody geofizyczne stosowane w archeologii są w dużej mierze zaadaptowane z metod stosowanych w eksploracji minerałów, inżynierii i geologii . Mapowanie archeologiczne stwarza jednak wyjątkowe wyzwania, które spowodowały odrębny rozwój metod i sprzętu. Ogólnie rzecz biorąc, aplikacje 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 górnej części ziemi. Instrumenty są często konfigurowane w taki sposób, aby ograniczyć głębokość odpowiedzi, aby lepiej rozwiązywać zjawiska przy powierzchni, które mogą być interesujące. Innym wyzwaniem jest wykrycie subtelnych i często bardzo małych elementów – które mogą być tak efemeryczne jak organiczne plamy z zbutwiałych drewnianych słupów – i odróżnienie ich od skał, korzeni i innych naturalnych „bałaganu”. 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.

Najczęściej stosowane w archeologii są magnetometry , mierniki rezystancji elektrycznej , radary penetrujące grunt (GPR) i mierniki przewodnictwa elektromagnetycznego (EM) . Metody te mogą rozwiązywać wiele rodzajów obiektów archeologicznych, umożliwiają przeprowadzanie badań o dużej gęstości 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 uznać za podobne do omomierzy używanych do testowania obwodów elektrycznych. W większości systemów sondy metalowe są wkładane w ziemię, aby uzyskać odczyt 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 kontaktu fizycznego z glebą. Obiekty archeologiczne mogą być mapowane, gdy mają wyższą lub niższą rezystywność niż ich otoczenie. Kamienny fundament może utrudniać przepływ elektryczności, podczas gdy osady organiczne w misdzie mogą przewodzić elektryczność łatwiej niż otaczające ją gleby. Chociaż powszechnie stosowane w archeologii do mapowania w planie, metody rezystancyjne mają również ograniczoną zdolność do rozróżniania głębokości i tworzenia profili pionowych (patrz tomografia elektrooporowa ).

Przyrządy do pomiaru przewodności elektromagnetycznej (EM) mają odpowiedź porównywalną do mierników rezystancji (przewodnictwo jest odwrotnością rezystancji). Podziemne obiekty archeologiczne są wykrywane poprzez wytworzenie pod ziemią pola magnetycznego poprzez przyłożenie przez cewkę wysyłającą prądu elektrycznego o znanej częstotliwości i wielkości. Prądy te pobudzają prąd wtórny w przewodach podziemnych, który jest odbierany przez cewkę odbiorczą. Zmiany w przewodności podziemnej mogą wskazywać na zakopane cechy. Chociaż przyrządy do pomiaru przewodności EM są generalnie mniej czułe niż mierniki rezystancji na te same zjawiska, mają szereg unikalnych właściwości. Zaletą jest to, że nie wymagają bezpośredniego kontaktu z podłożem i mogą być stosowane w warunkach niekorzystnych dla mierników rezystancji. Kolejną zaletą jest stosunkowo większa prędkość niż instrumenty oporowe. W przeciwieństwie do przyrządów oporowych mierniki przewodnictwa silnie reagują na metal. Może to być wadą, gdy metal jest obcy w dokumentacji archeologicznej, ale może być przydatny, gdy metal ma znaczenie archeologiczne. Niektóre przyrządy do pomiaru przewodnictwa EM są również zdolne do pomiaru podatności magnetycznej , która to właściwość zyskuje coraz większe znaczenie w badaniach archeologicznych.

Mapa gradientu magnetycznego prehistorycznych palenisk

Magnetometry stosowane w badaniach geofizycznych mogą wykorzystywać jeden czujnik do pomiaru całkowitego natężenia pola magnetycznego lub dwa (czasem więcej) odseparowane przestrzennie czujniki do pomiaru gradientu pola magnetycznego (różnicy między czujnikami). W większości zastosowań archeologicznych ta druga konfiguracja ( gradiometr ) jest preferowana, ponieważ zapewnia lepszą rozdzielczość małych, przypowierzchniowych zjawisk. Magnetometry mogą również wykorzystywać różne typy czujników. Magnetometry precesji protonów zostały w dużej mierze wyparte przez szybsze i bardziej czułe instrumenty z bramką strumieniową i cezami.

Każdy rodzaj materiału ma unikalne właściwości magnetyczne, nawet te, o których nie myślimy, że są „magnetyczne”. Różne materiały znajdujące się pod ziemią mogą powodować lokalne zaburzenia pola magnetycznego Ziemi, które są wykrywalne za pomocą czułych magnetometrów. Magnetometry bardzo silnie reagują na żelazo i stal, cegłę, wypaloną glebę i wiele rodzajów skał, a cechy archeologiczne składające się z tych materiałów są bardzo wykrywalne. Tam, gdzie te wysoce magnetyczne materiały nie występują, często można wykryć bardzo subtelne anomalie spowodowane przez naruszone gleby lub zepsute materiały organiczne. Głównym ograniczeniem badań magnetometrycznych jest to, że subtelne cechy interesujące mogą być przesłonięte przez wysoce magnetyczne materiały geologiczne lub nowoczesne materiały.

Badanie georadarowe

Radar penetrujący grunt (GPR) jest prawdopodobnie najbardziej znaną z tych metod (choć nie jest najszerzej stosowana 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 rzutów izolujących określone głębokości.

GPR może być potężnym narzędziem w sprzyjających warunkach (idealne są jednolite gleby piaszczyste). Jest wyjątkowy zarówno pod względem zdolności do wykrywania niektórych przestrzennie małych obiektów na stosunkowo dużych głębokościach, jak i zdolności do rozróżniania głębokości źródeł anomalii. Główną wadą GPR jest to, że jest poważnie ograniczona przez warunki mniej niż idealne. Wysoka przewodność elektryczna osadów drobnoziarnistych (gliny i muły) powoduje przewodzące straty siły sygnału; skaliste lub niejednorodne osady rozpraszają sygnał GPR. Kolejną wadą jest to, że gromadzenie danych jest stosunkowo powolne.

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

Popularne ręczne wykrywacze metali są szeroko stosowane przez archeologów. Większość z tych instrumentów nie tworzy zarejestrowanego zbioru danych i tym samym nie może służyć do bezpośredniego tworzenia map, ale wykorzystywane w sposób systematyczny mogą być użytecznym narzędziem w badaniach archeologicznych. Czasami do takich detektorów dołączone są zewnętrzne rejestratory danych, które zbierają informacje o wykrytych materiałach i odpowiadających im współrzędne GPS do dalszego przetwarzania. Niewłaściwe użycie tych instrumentów na stanowiskach archeologicznych przez poszukiwaczy skarbów i kolekcjonerów artefaktów stanowi poważny problem w ochronie archeologicznej, jednak w tej dziedzinie pojawiają się wspólne wysiłki wykwalifikowanych operatorów amatorów i zespołów akademickich.

Chociaż nie są tak powszechnie stosowane w archeologii, dostępne są zaawansowane wykrywacze metali o znacznie większej czułości niż modele ręczne. Instrumenty te są zdolne do rejestrowania danych i zaawansowanego rozróżniania celów. Mogą być montowane na wózkach kołowych w celu zbierania danych pomiarowych.

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

Gromadzenie danych jest zasadniczo podobne, niezależnie od konkretnego instrumentu pomiarowego. Badanie zwykle polega na chodzeniu z instrumentem wzdłuż blisko rozmieszczonych równoległych trawersów i dokonywaniu odczytów w regularnych odstępach czasu. W większości przypadków badany obszar jest tyczony w serii kwadratowych lub prostokątnych „siatek” pomiarowych (terminologia może się różnić). Z narożnikami siatek jako znanymi punktami odniesienia, operator przyrządu 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 pomiarowe ze zintegrowanymi globalnymi systemami pozycjonowania (GPS), ale w warunkach terenowych obecnie dostępne systemy nie są wystarczająco precyzyjne do mapowania archeologicznego w wysokiej rozdzielczości. Instrumenty geofizyczne (w szczególności wykrywacze metali) mogą być również wykorzystywane do mniej formalnego „skanowania” obszarów zainteresowania.

Przetwarzanie danych i obrazowanie przekształcają surowe dane liczbowe w mapy, które można zinterpretować. Przetwarzanie danych zwykle obejmuje usuwanie statystycznych wartości odstających i szumu 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 zaciemniające zjawiska współczesne lub naturalne. Coraz większego znaczenia nabiera odwrotne modelowanie obiektów archeologicznych na podstawie obserwowanych danych. Przetworzone dane są zazwyczaj renderowane jako obrazy, mapy konturowe lub w fałszywym reliefie. Gdy dane geofizyczne są renderowane graficznie, interpreter może bardziej intuicyjnie rozpoznawać wzorce kulturowe i przyrodnicze oraz wizualizować zjawiska fizyczne powodujące wykryte anomalie.

Rozwój

Badanie magnetyczne w zamku Pembroke przeprowadzone przez Andile Cele

Wykorzystanie badań geofizycznych jest dobrze ugruntowane w archeologii europejskiej, zwłaszcza w Wielkiej Brytanii, gdzie zapoczątkowano je w latach 40. i 50. 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 ze względu na 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 ulepszanie wydajności i automatyzacji sprzętu pomiarowego umożliwiło szybkie badanie dużych obszarów. Szybkie zbieranie danych sprawiło, że praktycznym stało się również uzyskanie wysokich gęstości próbek niezbędnych do rozdzielenia małych lub subtelnych cech. Postępy w oprogramowaniu do przetwarzania i obrazowania umożliwiły wykrywanie, wyświetlanie i interpretowanie subtelnych wzorców archeologicznych w danych geofizycznych.

Zobacz też

Bibliografia

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). Ujawnienie pogrzebanej przeszłości: geofizyka dla archeologów . Stroud, Wielka Brytania: Tempus.
  • Witten, Alan (2006). Podręcznik Geofizyki i Archeologii . Londyn, Wielka Brytania: Equinox Publishing Ltd.

Zewnętrzne linki