Einsatz und Möglichkeiten geophysikalischer Messverfahren in der Archäologie

Von Dipl. Ing. Manfred Winking

Einleitung

Aus dem Repertoire geophysikalischer Messverfahren bieten sich unterschiedlichste Möglichkeiten der Erkundung archäologischer Stätten an.

Bevorzugt eingesetzte Messverfahren sind geomagnetische, geoelektrische und elektromagnetische Messverfahren.

Voraussetzung für den Erfolg geophysikalischer Messverfahren ist ein ausreichender Kontrast der physikalischen Eigenschaften der zu ortenden Materialien.

Je nach Aufgabenstellung bieten sich entsprechende geophysikalische Messverfahren an. Hier spielen die Materialeigenschaften in Verbindung mit dem Erkundungsziel eine entscheidende Rolle.

Die Geomagnetik ist eines der meist eingesetzten Verfahren zur Erkundung archäologischer Stätten. Da gebrannte Ziegel und eisenhaltige Materialien in der Regel eine Magnetisierbarkeit aufweisen, ist die Geomagnetik eines der meist eingesetzten Messverfahren in der Archäologie. Welches Instrument zur Messung der unterschiedlichen physikalischen Größen des Erdmagnetfeldes eingesetzt wird hängt von den vor Ort herrschenden Bedingungen ab. In Stadtgebieten und Flächen mit an der Oberfläche befindlichen Metallobjekten unterschiedlichster Art sollten Messgeräte eingesetzt werden, die gegenüber seitlichen, einwirkenden Störungen relativ unempfindlich sind.

Besonders kritisch wird der Einsatz des geomagnetischen Messverfahrens in Bereichen bestehender Versorgungseinrichtungen wie Stromleitung, Bahngleisen, Straßenbahnen usw., die zu erheblichen Störungen des Erdmagnetfeldes führen und z.T. sinnvolle Messungen unmöglich machen.

Bevorzugt eingesetzte Messgeräte sind Instrumente, die den Z-Gradienten oder die Totalintensität des Erdmagnetfeldes messen. Beide Messverfahren und die gemessenen physikalischen Größen bieten im Vergleich untereinander Vor- und Nachteile.

Während die Messungen des Z-Gradienten und die Darstellung der Rohdaten physikalisch kaum Probleme bereiten, sind Messungen der Totalintensität unter Berücksichtigung der täglichen Variationen des Erdmagnetfeldes, die bis zu einigen hundert Nanotesla betragen können, weit aufwendiger. Hier bieten sich ebenfalls Gradientenmessungen der Totalintensität an, um so mögliche Korrekturen zu vermeiden.

Um ein Optimum an Informationen aus den Rohdaten zu erhalten, sollte ein Datenprozessing durchgeführt werden. Außer der Möglichkeit der unterschiedlichen Filterungen der Daten kann z.B. auch eine Polreduktion einen wichtigen Beitrag zur Bearbeitung der Daten liefern.

Parallel zur Geomagnetik werden immer häufiger geoelektrische Kartierungen durchgeführt. Je nach Elektroden-Sonden-Konfiguration können unterschiedliche Wirkungstiefen und Auflösungen erreicht werden. Als Leitparameter wird der spezifische Bodenwiderstand gemessen. Bodenveränderungen, Mauerreste, Auffüllungen und Hohlräume führen in der Regel zu deutlichen Änderungen der Widerstandsverhältnisse im Untergrund. Diese können flächig kartiert werden und liefern damit eine Übersicht über die lateralen Änderungen der Bodenwiderstände. Möchte man Informationen über die vertikale Verteilung der Widerstandsverhältnisse erhalten, so ist eine Vielzahl von Messungen mit unterschiedlichsten Konfigurationen notwendig. Zweckmäßigerweise werden diese Messungen rechnergesteuert durchgeführt. Je nach Fragestellung ist die beste Auslagekonfiguration zu wählen. Weitere Hinweise zu dem Messverfahren der Geoelektrik werden im nachfolgenden Text zur Geoelektrik aufgeführt und anhand von Beispielen dargestellt.

Immer mehr an Bedeutung gewinnen elektromagnetische Messverfahren. Insbesondere liefern Georadarmessungen einen wichtigen Beitrag zur Erkundung historischer Fundorte. Diese hochfrequenten elektromagnetischen Messungen sind vergleichbare Messungen, wie sie in der Reflexionsseismik angewandt werden. Durch die extrem hohen Laufzeitgeschwindigkeiten und die Vielzahl von Einzelscans innerhalb eines Zeitintervalls sind hohe Ansprüche an die Hardware gestellt. Je nach elektrischen Eigenschaften (Dielektrizitätskonstante) des Untergrundes und der dort befindlichen Objekte werden Schichtverläufe und Einzelkörper unterschiedlich abgebildet. Hohe Ansprüche sind an das Datenprozessing gestellt. Geeignete Softwareprogramme erlauben das unterschiedlichste Filtern der Daten, Rechnen einer Migration und Dekonvolution oder das Stapeln von Messprofilen und anderer Bearbeitungsprozesse. Nur so ist sehr oft eine sinnvolle Aussage, die aus den Daten gewonnen werden kann, möglich. Hinweise mit Beispielen sind unter dem Kapitel Georadar aufgeführt.

Weitere elektromagnetische Messverfahren, die im kHz-Bereich arbeiten, sind unter dem Begriff Transientenelektromagnetik (TDEM) bekannt. Diese im Zeitbereich arbeitenden Instrumente dienen zur Erkundung aller metallischen Objekte. Hier gibt es Instrumente mit unterschiedlichen Eigenschaften, die sich in der Leistung hinsichtlich der Auflösung und Eindringtiefe unterscheiden. Gegenüber mineralischen Böden oder magnetisierbaren Gesteins sind diese Instrumente völlig unempfindlich, so dass kleinste Metallobjekte lokalisiert werden können.

Eine relative schnelle Erkundung der elektrischen Bodenleitfähigkeit von Flächen liefern elektromagnetische Instrumente im Frequenzbereich. Teilweise gibt es Instrumente, die in der Lage sind, Sendefrequenzen zwischen 330 Hz bis 20.000 Hz frei wählbar einzustellen. Darüber hinaus liefern diese Sendefrequenzen, parallel in einem Messvorgang, als Ergebnis eine laterale Verteilung der elektrischen Bodenleitfähigkeitsverhältnisse für unterschiedliche Tiefenlevel. Der Inphase-Anteil als auch der Out of Phase-Anteil können hier interessante Informationen liefern.

Geoelektrik

Rechnergestütztes Multielektrodenmessinstrument zur 2-D- / 3-D-Erkundung

Die Voraussetzung aller Messungen ist die optimale Datenaufnahme. Hier ist insbesondere die Auflösung der Messdaten von Interesse.

Nur dann, wenn die Elektroden eine entsprechende Ankopplung an den Untergrund besitzen und die Übergangswiderstände messbar gering sind, sind gute Daten erzielbar.

Als Messinstrument kommt bei uns für hochauflösende Kartierungen das Multielektrodensystem TIGRE von CAMPUS zum Einsatz.

Der Messpunktabstand kann bei unterschiedlichen Anordnungen frei gewählt werden. Für die vorliegende Problemstellung werden Abstände der galvanisch angekoppelten Elektroden und Sonden von 1-2 m realisiert, um ein ausreichendes Auflösungsvermögen zu erreichen.

Eine Doppelsektion unserer Messanordnung besteht aus 64 Elektroden. Damit können je nach Elektrodenabstand (z.B. 5 m) Profillängen von 315 m erzielt werden. Die Auswahl der genauen Lage der einzelnen Sektionen kann erst vor Ort unter Berücksichtigung der örtlichen Gegebenheiten festgelegt werden.

Abb. 3

Wennersektion mit a = 2m und 16 Tiefenlevel

Beispiel einer Multielektrodenauslage mit dargestellten Messpunkten

Eine qualitative Bewertung der Auflösung liefert Ward und für die Erkundungstiefe a: ROY & APPARAO und b: Barker

Konfiguration	Wenner	Schlum- berger	Dipol- Dipol	Pol- Dipol	Gradient
Nutz-/ Störsignal	1	2	5	4	3
Laterale Auflösung	5	4	2	3	1
Schichtauflösung	1	1	2	2	5
Vertikale Störkörperauflösung	1	1	2	3	5
Einfluss der Neigung von Einlagerungen	2	2	4	5	1
Einfluss oberflächennaher Inhomogenitäten a: Bei Kartierung b: Bei Sondierung	3 2	3 1	2 4	1 3	5 -
Einfluss des Reliefs im Untergrund	3	3	1	2	5
Erkundungstiefe für den horizontal geschichteten Untergrund bezogen auf die verschiedenen Konfigurationen a: b:	0,11 AB 0,17 AB	0,125 AB 0,190 AB	0,195 AN 0,250 AN	0,13 AB 0,19 AB	- -

Tabelle 1

1: Relativ beste Bewertung / 5: Relativ schlechteste Bewertung / -: Keine Angaben

Für die Erkundungstiefe der Pol-Pol-Konfiguration geben ROY & APPARAO 0,35 AM an. Die Messungen sind mit unterschiedlichsten Konfigurationen durchzuführen. Alle Sektionen sollten mit der Wenner-, Schlumberger-Konfiguration durchgeführt werden.

Leistungsparameter des von uns eingesetzten Messgerätes von Campus Typ Tigre:

- Eingangswiderstand > 1 M Ω
- Eingangsempfindlichkeit 10 μVolt
- Datenadaptive Messsignalverstärkung
- Signalstapelung
- Stabilisierung des Messstroms
- Anzahl der Zykluslänge wählbar
- Stabilisierte Synchronisation von Sende- und Empfangsteil
- Digitale statistische Signalanalyse der A/D-gewandelten Eingangssignale
- Automatische Driftkorrektur von Sondenpolarisationseffekten
- Kompensation unterschiedlicher Elektroden-Übergangswiderstände
- Low-Pass und Notch-Filter gegen Störspannungen
- Programmierbare Registrierung der Multielektrodenanordnung
- Widerstandsbereich von 0,01 bis > 10⁶ Ω
- Relativer Fehler des elektrischen Widerstandes < 1%
- Automatische Berechnung der scheinbaren spezifischen Widerstände
- Sofortige Anzeige der Messdaten und Messwerte über einen PC mittels RS
232-Schnittstelle

Weitere qualitätssichernde Maßnahmen

Um der vorgegebenen Aufgabenstellung gerecht zu werden ist ein geeignetes Array von Profil- und Punktabständen zu wählen.

Vor und während der Messungen werden ständig kontrolliert:

- Übergangswiderstände und Eigenpotentiale an den Elektroden
- Störungen vagabundierender Ströme und deren Oberwellen von Industrieanlagen
(50 Hz), Bahntrassen (16 2/3 Hz)
- Reproduzierbarkeit der Messdaten
- Einfluss meteorologischer Ereignisse auf die Messdaten
- Die Messprotokolle besitzen sämtliche Informationen der Messdurchführung
(Böschungen, Gräben, Auffüllungen, Neigungen des Geländes usw.)
- Präliminäre Auswertung zur Qualitätssicherung mit hochwertiger
Bearbeitungssoftware

Das Auflösungsvermögen und die Eindringtiefe, hängen von verschiedenen Faktoren ab.

Das Auflösungsvermögen wird im Wesentlichen von der geometrischen Konfiguration der Auslagen bestimmt, während die Eindringtiefe insbesondere von dem Bodenwiderstand abhängt.

Das nachfolgende Beispiel zeigt eine 2-D-Messung im Saarland. Hier ist zu erkunden ob noch etwaige Reste einer mittelalterlichen Burganlage vorhanden sind. Reste eines Grabens deuten auf die ehemalige Existenz einer Anlage hin. Während elektromagnetische und geomagnetische Messungen keinerlei Hinweise auf mögliche Einlagerungen liefern konnten, zeigen die Modelle der aus den geoelektrischen Messungen gewonnenen Daten interessante Strukturen.

Besonders interessant sind die am Ende der Profile 1+3 isoliert auftauchenden niederohmigen Anomalien. Ob dieses Reste des alten Grabens sind, oder über den der Boden gegenwärtig entwässert wird und ob es sich dabei eventuell um verfüllte Hohlräume handelt, ist zu überprüfen.

Hier sind weiterführende Radarmessungen geplant, die Aufschluss über die geoelektrische Anomalie liefern sollen.

Beispiel einer Messung zur Erkundung mittelalterlicher Reste im Saarland

Burg Litermont - www.nalbach.de

Über die Geschichte der Burg war bisher nichts Urkundliches aufzufinden. Angeblich nannte sich ein Adelsgeschlecht nach ihr. Eine Margarete von Litermont soll den Glockenzehnten in Nalbach gestiftet haben und im Chor der Kirche zu Nalbach begraben worden sein. Sie wird in einem Gedicht besungen, das seit 1720 überliefert wird. Sie war angeblich die letzte ihres Geschlechtes.

Auf dem Litermont muss tatsächlich eine Befestigung gestanden haben, wie die noch erhaltenen Spuren von drei Wällen mit Gräben und geringen Mauerresten ausweisen. Wegen des völligen Fehlens an urkundlichen Erwähnungen muss die Zerstörung jedoch schon sehr früh angenommen werden.

Abb. 4

Alter Lageplan des Litermonts

Abb. 5

Ergebnisse der geoelektrischen 2-D Messungen auf dem Litermontplateau
Profildarstellung. Meßgerät: Campus-Tigre. Meßdatum: 19.05.2006. Maßstab des Originals 1:250

Abb. 6

Lage der Profile

Georadar

Das Radar bietet gegenwärtig das hochauflösendste Verfahren zur Bestimmung von Strukturen oder zur Objektortung im Untergrund und im Bauwerk durch die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen.

Abb. 7

Schemadarstellung des Messverfahrens GEORADAR

In der Archäologie ist die Erkundung von Bauwerksresten, Objektdetektion und verborgene bauliche Situationen häufig Ziel der Untersuchung.

Zur Datenaufnahme wird eine Sender-Empfänger-Kombination entlang einer Messlinie mit geeignetem Abstand über die zu vermessende Fläche gezogen. Die Daten können online am Bildschirm als Laufzeitdiagramm bewertet werden. In sehr dichter Folge wird gesendet und empfangen, so dass die Messung entlang der Messlinie als quasi kontinuierlich bezeichnet werden kann (Messpunktabstand einige mm bis einige cm).

Registriert wird die Signalamplitude in Abhängigkeit der Zeit als sog. Signalspur. Dabei wird die Amplitude grau- oder farbcodiert dargestellt. Durch Aneinanderreihung der Signalspuren erhält man ein Diagramm, in dem die Entfernung entlang der Messlinie über der Laufzeit aufgetragen ist. In diesem Radargramm - quasi ein Vertikaltiefenschnitt - zeigen sich die reflektierenden Strukturen als mehr oder weniger starke Signale.

Die Eindringtiefe elektromagnetischer Wellen hängt vom Bodenwiderstand und der Dielektrizitätskonstante in Abhängigkeit von der Sendefrequenz ab.

Anhaltsweise können nachfolgende Abschätzungen für Eindringtiefe angenommen werden:

- trockene Kiese und Sande 5 - 10 m
- gesättigte Kiese und Sande 2 - 5 m
- schluffige, feuchte Kiese/Sande 2 - 3 m
- bindiger, sehr trockener Boden 2 m
- bindiger, feuchter Boden u.U. über 1 m
- Gestein 5 bis über 10 m
- kompakter Dolomit, Marmor u.ä. über 20 m
- Süßwasser 4 bis 6 m

Zum Einsatz kommt bei uns ein Messgerät der neuesten Generation von der Firma IDS Type K2 System mit nachfolgenden Spezifikationen:

Maximale Anzahl von Meßkanälen Impulsfrequenz Messdynamik Stapelanzahl Maximale Anzahl der Scans/Sekunde Anzahl der Messungen je Scan Triggeroptionen

8 400 kHz 0-9999 nsek. 1 – 32768 850 128 – 8192 Manuell oder über die Zeit

Bevorzugt eingesetzt wird von uns eine Antenne mit Sendefrequenzen von 200 MHz und 600 MHz. Zur archäologischen Untersuchung bietet dies System ein Optimum an Informationen.

Die vertikale Auflösung bei diesen Sendefrequenzen mit einer Wellenlänge von 50 cm und 16 cm liegt bei etwa einer halben Wellenlänge, also zwischen 28 cm bis 8 cm.

Zur Datenverarbeitung wird von uns das Programm REFLEXW von Sandmeier eingesetzt.

Die gemessenen Radargramme setzen sich aus dem Primärsignal (Sendesignal plus Oberflächenreflexion), dem Nutzsignal und dem Störsignal zusammen. Zur Isolierung des Nutzsignals dient die Datenverarbeitung der Maßstabsentzerrung sowie der Umwandlung der Laufzeiten- in Tiefenangaben. Bei einfachsten Messungen und klaren Daten kann ggf. auf Datenverarbeitung verzichtet werden. In der Regel ist aber eine Filterung zur Unterdrückung von stochastischem und kohärentem Rauschen sinnvoll, ohne dass damit der Aufwand zu hoch wird. Wichtig ist auch eine geeignete Darstellung der Radardaten. Verfeinerte Datenverarbeitungsschritte (z.B. Migration, Dekonvolution) erhöhen den Aufwand und sind meist nur bei speziellen Problemstellungen sinnvoll.

Beispiel einer Messung an einer Kirche in Brandenburg

Ziel der Untersuchungen war es, den Untergrund um und in der Kirche im Hinblick auf eventuelle Hohlräume oder Inhomogenitäten zu erkunden. Die Messungen innerhalb der Kirche erfolgten entlang von 8 Profilen. Fünf Profile (11 – 15) verliefen parallel zur Stufe der Empore mit dem Altar, drei senkrecht dazu (16 – 18).

Abb. 9

Lage der Profile im Altarraum

Profil 15 verläuft hinter dem Altar in 0,5m Abstand parallel zur Außenwand. Es zeichnet sich in ca. 70cm Tiefe eine ebene, durchgehende Schicht ab, welche die Unterkante des Kirchenbodens darstellt. Ansonsten sind keine Auffälligkeiten zu erkennen.

Abb. 10

Radargramm Profil 15

Auf allen senkrecht dazu vermessenen Profilen (11 – 14) zeichnet sich auf den ersten 3m eine stark reflektierende Schicht in 2,5m Tiefe ab, die dann ausdünnt. Auf Profil 15 hinter dem Altar ist diese Schicht nicht mehr anzutreffen. Wobei es sich bei der oben genannten Schicht handelt, kann nicht gesagt werden.

Abb. 11

Radargramm Profil 16

Auch bei den Profilen 11 – 14 läßt sich, wenn auch nicht ganz so regelmäßig wie bei Profil 15, die Unterkante des Kirchenbodens erkennen.

Im Bereich von Profilmeter 7 ist eine Struktur zu erkennen, die sicherlich nicht natürlichen Ursprungs ist, sondern künstlich angelegt wurde.

Man kann anhand der hohen Reflektivität eine Steinplatte dicht unter dem Kirchenboden vermuten.

Die vermutete Platte dicht unter dem Kirchenboden in ca. 60 – 70cm Tiefe bildet eine sehr große Hyperbel aus, die auf Profil 11 - 13 bis zu Profilmeter 2,5 zu beobachten ist.

Darunter zeichnet sich eventuell ein Hohlraum oder eine Kammer mit einer Höhe von etwa 0,8m ab. Die Unterkante ist ebenfalls von einer ebenen stark reflektierenden Schicht in ca. 1,30 – 1,50m Tiefe gekennzeichnet.

Abb. 12

Radargramme Profil 11 bis 14

In den beiden Gängen zwischen den Kirchenbänken wurde jeweils ein Profil untersucht (Profil 17 und 18).

Abb. 13

Radargramme Profil 17 (oben) und 18 (unten)

Profil 17 stellt bis auf einen seitlichen Versatz von ca. 0,5 – 1m die Verlängerung von Profil 16 dar. Der Untergrund ist wie bei Profil 16 sehr inhomogen. Die Vielzahl an starken Reflexionshyperbeln deutet auf das Vorhandensein von größeren einzelnen Steinen o.ä. hin. Auf den ersten beiden Profilmetern ist wieder jeweils eine stark reflektierende waagerecht verlaufende Schicht in ca. 0,7m Tiefe und in etwa 1,50m Tiefe zu erkennen. Ob diese Struktur in Verbindung zu dem vermuteten Hohlraum steht oder es sich sogar um eine Fortsetzung dessen handelt, kann nur vermutet werden.

Unter dem anderen Gang bei Profil 18 bildet sich in ca. 60cm Tiefe die Unterkante des Kirchenbodens als ebener Reflexionshorizont ab. Im Gegensatz zu Profil 17 sind hier erstaunlicherweise kaum Reflexionen zu beobachten. Lediglich bei Profilmeter 9 bis 10.

Ergebnis der Messungen

Die untersuchte Kirche in Königsberg wurde auf einer ca. 1,5m mächtigen aufgeschütteten Fläche errichtet. Die Aufgabenstellung war, evtl. anormale Bereiche im Untergrund zu lokalisieren, die in Verbindung mit den Setzungen im Bereich der Stirnseite stehen könnten. Im Bereich der Längsprofile 1 - 3 (rechts der Kirche – siehe Abb. 5) konnten keine markanten Strukturen oder Inhomogenitäten ermittelt werden, die eine Ursache für Setzungen des Mauerwerkes darstellen könnten.

Die Profile 4 – 7 verliefen parallel zur Stirnseite der Kirche. Lediglich auf dem 4m von den Stützpfeilern der Kirche entfernten Profil Nr. 7 wurde im Bereich von Profilmeter 1 bis 11 in 2 – 3m Tiefe eine "Beckenstruktur" lokalisiert, die jedoch auf den Parallelprofilen in Richtung Kirche abnimmt. Die Unterkante konnte nicht mehr erfasst werden, da sie tiefer als 3m liegt. Diese von beiden Seiten schräg einfallende Struktur ist durch starke Reflexionen abgegrenzt. Es könnte sich hierbei auch um eine ehemalige Rinne unterhalb der Aufschüttung handeln. 1m vor den Stützpfeilern (Profil 5 und 4) ist diese Struktur nicht mehr zu erkennen.

Diese Rinnenstruktur könnte sich auch um die Hausecke herum an der linken Längsseite der Kirche fortsetzen (Profil 8 – 10). Die die "Rinne" nach unten begrenzende Schicht von Profil 7 verläuft hier in einer Tiefe von ca. 2,5 – 3m.

Innerhalb der Kirche ist der Bereich links vor dem Altar auffällig. Hier könnte sich ein Hohlraum in einer Tiefe von etwa 0,6m bis 1,4m befinden. Das Profil entlang der gefährdeten Stirnseite zeigt keinerlei Auffälligkeiten.

Die Profile 11 – 14 und Profil 18 weisen alle im Bereich der ersten Profilmeter in ca. 2,5m Tiefe einen deutlichen Reflexionshorizont auf. Ob es sich hierbei um einen Zusammenhang mit den angenommenen Rinnenstrukturen der Profile 8 bis 10 außerhalb der Kirche handelt, kann nicht gesagt werden.

 

Kontakt

Manfred Winking
Winking · Geophysik · Umwelttechnik (WGU)
Havemannstr. 8
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