Geofysisk undersökning (arkeologi)

Elektriskt motstånd karta över antika Afrodisias

Inom arkeologi är geofysisk undersökning markbaserade fysiska avkänningstekniker som används för arkeologisk avbildning eller kartläggning . Fjärranalys och havsundersökningar används också inom arkeologi, men betraktas i allmänhet som separata discipliner. Andra termer, såsom "geofysisk prospektering" och "arkeologisk geofysik" är i allmänhet synonyma.

Översikt

Geofysisk undersökning används för att skapa kartor över underjordiska arkeologiska särdrag . Funktioner är den icke-portabla delen av det arkeologiska dokumentet , oavsett om det är stående strukturer eller spår av mänskliga aktiviteter kvar i jorden . Geofysiska instrument kan upptäcka nedgrävda egenskaper när deras fysiska egenskaper kontrasterar mätbart med omgivningen. I vissa fall kan även individuella artefakter , särskilt metall, upptäckas. Avläsningar som tas i ett systematiskt mönster blir en datamängd som kan renderas som bildkartor. Undersökningsresultat kan användas för att vägleda utgrävningar och för att ge arkeologer insikt i mönstringen av icke utgrävda delar av platsen. Till skillnad från andra arkeologiska metoder är geofysisk undersökning varken invasiv eller destruktiv. Av denna anledning används det ofta där bevarande (snarare än utgrävning) är målet, och för att undvika störningar av kulturellt känsliga platser som kyrkogårdar .

Även om geofysisk undersökning har använts tidigare med intermittent framgång, är goda resultat mycket sannolikt när den tillämpas på lämpligt sätt. Det är mest användbart när det används i en välintegrerad forskningsdesign där tolkningar kan testas och förfinas. Både undersökningsdesign och tolkning kräver kunskap om det arkeologiska arkivet och hur det uttrycks geofysiskt. Lämplig instrumentering, undersökningsdesign och databehandling är avgörande för framgång och måste anpassas till den unika geologin och arkeologiska historiken för varje plats. ^{[ citat behövs ]} På fältet är kontroll av datakvalitet och rumslig noggrannhet avgörande.

Metoder

EM konduktivitetsundersökning

Geofysiska metoder som används i arkeologi anpassas till stor del från de som används i mineralutforskning, ingenjörskonst och geologi . Arkeologisk kartläggning innebär dock unika utmaningar som har stimulerat en separat utveckling av metoder och utrustning. I allmänhet handlar geologiska tillämpningar om att detektera relativt stora strukturer, ofta så djupt som möjligt. Däremot ligger de flesta arkeologiska platser relativt nära ytan, ofta inom jordens översta meter. Instrument är ofta konfigurerade för att begränsa responsdjupet för att bättre lösa de ytnära fenomen som sannolikt kommer att vara av intresse. En annan utmaning är att upptäcka subtila och ofta mycket små särdrag – som kan vara lika tillfälliga som organisk färgning från ruttnade trästolpar – och skilja dem från stenar, rötter och annat naturligt "röra". För att åstadkomma detta krävs inte bara känslighet, utan också hög densitet av datapunkter, vanligtvis minst en och ibland dussintals avläsningar per kvadratmeter.

Vanligast inom arkeologi är magnetometrar , elektriska motståndsmätare , markpenetrerande radar (GPR) och elektromagnetiska (EM) konduktivitetsmätare . Dessa metoder kan lösa många typer av arkeologiska särdrag, är kapabla till undersökningar med hög provtäthet av mycket stora områden och fungerar under ett brett spektrum av förhållanden. Även om vanliga metalldetektorer är geofysiska sensorer, kan de inte generera högupplösta bilder. Andra etablerade och framväxande teknologier finner också användning i arkeologiska tillämpningar.

Elektriska resistansmätare kan ses som liknande de ohmmetrar som används för att testa elektriska kretsar. I de flesta system sätts metallsonder i marken för att få en avläsning av det lokala elektriska motståndet. En mängd olika sondkonfigurationer används, de flesta har fyra prober, ofta monterade på en styv ram. Kapacitivt kopplade system som inte kräver direkt fysisk kontakt med marken har också utvecklats. Arkeologiska särdrag kan kartläggas när de har högre eller lägre resistivitet än omgivningen. En stengrund kan hämma strömmen av elektricitet, medan de organiska avlagringarna i en mitt kan leda elektricitet lättare än omgivande jordar. Även om de allmänt används inom arkeologi för kartläggning av planvy, har motståndsmetoder också en begränsad förmåga att urskilja djup och skapa vertikala profiler (se Elektrisk resistivitetstomografi ) .

Elektromagnetiska (EM) konduktivitetsinstrument har en respons som är jämförbar med den hos motståndsmätare (konduktivitet är inversen av resistans). Underjordiska arkeologiska särdrag upptäcks genom att skapa ett magnetfält under jorden genom att applicera en elektrisk ström som har en känd frekvens och storlek genom en sändande spole. Strömmarna sporrar en sekundärström i underjordiska ledare som tas upp av en mottagningsspole. Förändringar i den underjordiska konduktiviteten kan indikera nedgrävda egenskaper. Även om EM-konduktivitetsinstrument i allmänhet är mindre känsliga än motståndsmätare för samma fenomen, har de ett antal unika egenskaper. En fördel är att de inte kräver direkt kontakt med marken och kan användas under förhållanden som är ogynnsamma för motståndsmätare. En annan fördel är relativt högre hastighet än motståndsinstrument. Till skillnad från motståndsinstrument reagerar konduktivitetsmätare starkt på metall. Detta kan vara en nackdel när metallen är främmande för det arkeologiska arkivet, men kan vara användbart när metallen är av arkeologiskt intresse. Vissa EM-konduktivitetsinstrument är också kapabla att mäta magnetisk susceptibilitet , en egenskap som blir allt viktigare i arkeologiska studier.

Magnetisk gradiometerkarta över förhistoriska eldhärdar

Magnetometrar som används i geofysisk undersökning kan använda en enda sensor för att mäta den totala magnetiska fältstyrkan, eller kan använda två (ibland fler) rumsligt åtskilda sensorer för att mäta gradienten av magnetfältet (skillnaden mellan sensorerna). I de flesta arkeologiska tillämpningar är den senare ( gradiometer ) konfigurationen att föredra eftersom den ger bättre upplösning av små ytnära fenomen. Magnetometrar kan också använda en mängd olika sensortyper. Protonprecessionsmagnetometrar har i stort sett ersatts av snabbare och känsligare fluxgate- och cesiuminstrument.

Varje typ av material har unika magnetiska egenskaper, även de som vi inte tänker på som "magnetiska". Olika material under marken kan orsaka lokala störningar i jordens magnetfält som är detekterbara med känsliga magnetometrar. Magnetometrar reagerar mycket starkt på järn och stål, tegel, bränd jord och många typer av sten, och arkeologiska egenskaper som består av dessa material är mycket detekterbara. Där dessa högmagnetiska material inte förekommer är det ofta möjligt att upptäcka mycket subtila anomalier orsakade av störda jordar eller ruttnat organiskt material. Den främsta begränsningen av magnetometerundersökning är att subtila egenskaper av intresse kan skymmas av mycket magnetiska geologiska eller moderna material.

GPR-undersökning

Markpenetrerande radar (GPR) är kanske den mest kända av dessa metoder (även om den inte är den mest använda inom arkeologi). Begreppet radar är bekant för de flesta. I det här fallet riktas radarsignalen – en elektromagnetisk puls – ner i marken. Objekt under ytan och stratigrafi (skiktning) kommer att orsaka reflektioner som fångas upp av en mottagare. Den reflekterade signalens gångtid anger djupet. Data kan plottas som profiler eller som planvykartor som isolerar specifika djup.

GPR kan vara ett kraftfullt verktyg under gynnsamma förhållanden (jämna sandjordar är idealiska). Den är unik både i sin förmåga att upptäcka vissa rumsligt små föremål på relativt stora djup och i sin förmåga att urskilja djupet hos anomalikällor. Den främsta nackdelen med GPR är att den är kraftigt begränsad av mindre än idealiska förhållanden. Den höga elektriska ledningsförmågan hos finkorniga sediment (leror och silt) orsakar ledande förluster av signalstyrka; steniga eller heterogena sediment sprider GPR-signalen.

Metalldetektorer använder elektromagnetisk induktion för att detektera metall. Även om andra typer av instrument (särskilt magnetometrar och elektromagnetiska konduktivitetsmätare) har viss känslighet för metall, är specialiserade metalldetektorer mycket mer effektiva. Metalldetektorer finns i olika konfigurationer, varierande i sofistikering och känslighet. De flesta har viss förmåga att skilja mellan olika typer av metalliska mål.

Vanliga handhållna metalldetektorer används ofta av arkeologer. De flesta av dessa instrument skapar inte en loggad datamängd och kan därför inte användas för att direkt skapa kartor, men kan användas på ett systematiskt sätt vara ett användbart verktyg i arkeologisk forskning. Ibland kopplas externa dataloggrar till sådana detektorer som samlar in information om upptäckta material och motsvarande gps-koordinater för vidare bearbetning. Missbruk av dessa instrument på arkeologiska platser av skattjägare och artefaktsamlare har varit ett allvarligt problem vid arkeologiskt bevarande, men samarbetsinsatser mellan skickliga amatöroperatörer och akademiska team växer fram i fältet.

Även om de inte används lika ofta inom arkeologi, finns sofistikerade metalldetektorer tillgängliga med mycket större känslighet än handhållna modeller. Dessa instrument är kapabla till dataloggning och sofistikerad måldiskriminering. De kan monteras på hjulförsedda vagnar för insamling av undersökningsdata.

Lidar ( LIght raDAR ) är en optisk fjärranalysteknik som kan mäta avståndet till ett mål genom att belysa målet med ljus , ofta med hjälp av pulser från en laser . Lidar har många applikationer inom arkeologiområdet, inklusive att hjälpa till med planeringen av fältkampanjer, kartlägga särdrag under skogstak och ge en översikt över breda, kontinuerliga särdrag som kan vara omöjliga att skilja på marken. Lidar kan också ge arkeologer möjligheten att skapa högupplösta digitala höjdmodeller (DEM) av arkeologiska platser som kan avslöja mikrotopografi som annars döljs av vegetation. Lidar-härledda produkter kan enkelt integreras i ett geografiskt informationssystem (GIS) för analys och tolkning.

Datainsamlingen är i stort sett likartad oavsett avkänningsinstrument. Undersökningen innebär vanligtvis att man går med instrumentet längs tätt åtskilda parallella traverser och tar avläsningar med jämna mellanrum. I de flesta fall sätts området som ska undersökas ut i en serie kvadratiska eller rektangulära undersöknings-"rutnät" (terminologin kan variera). Med rutnätens hörn som kända referenspunkter använder instrumentoperatören band eller markerade rep som vägledning vid insamling av data. På så sätt kan positioneringsfel hållas inom några få centimeter för högupplöst kartläggning. Undersökningssystem med integrerade globala positioneringssystem (GPS) har utvecklats, men under fältförhållanden saknar idag tillgängliga system tillräcklig precision för högupplöst arkeologisk kartläggning. Geofysiska instrument (särskilt metalldetektorer) kan också användas för mindre formellt "skannande" områden av intresse.

Databehandling och bildbehandling omvandlar rå numerisk data till tolkningsbara kartor. Databehandling involverar vanligtvis borttagning av statistiska extremvärden och brus, och interpolering av datapunkter. Statistiska filter kan utformas för att förbättra egenskaper av intresse (baserat på storlek, styrka, orientering eller andra kriterier), eller undertrycka döljande moderna eller naturliga fenomen. Omvänd modellering av arkeologiska särdrag från observerade data blir allt viktigare. Bearbetade data återges vanligtvis som bilder, som konturkartor eller i falsk relief. När geofysiska data renderas grafiskt kan tolken mer intuitivt känna igen kulturella och naturliga mönster och visualisera de fysiska fenomen som orsakar de upptäckta anomalierna.

Geofysisk undersökning med magnetometer

Utveckling

En magnetisk undersökning vid Pembroke Castle utförd av Andile Cele

Användningen av geofysisk undersökning är väletablerad inom europeisk arkeologi, särskilt i Storbritannien, där den var pionjär på 1940- och 1950-talen. Den används i allt större utsträckning i andra delar av världen och med ökande framgång i takt med att tekniker anpassas till unika regionala förhållanden.

I tidiga undersökningar registrerades mätningar individuellt och plottades för hand. Även om användbara resultat ibland erhölls, begränsades praktiska tillämpningar av den enorma mängd arbete som krävdes. Databearbetningen var minimal och provtätheten var nödvändigtvis låg.

Även om sensorernas känslighet har förbättrats, och nya metoder har utvecklats, har den viktigaste utvecklingen varit automatiserad dataloggning och datorer för att hantera och bearbeta stora datamängder. Fortsatta förbättringar av mätutrustningens prestanda och automatisering har gjort det möjligt att snabbt kartlägga stora områden. Snabb datainsamling har också gjort det praktiskt att uppnå de höga provdensiteter som krävs för att lösa små eller subtila egenskaper. Framsteg inom bearbetning och bildbehandlingsprogram har gjort det möjligt att upptäcka, visa och tolka subtila arkeologiska mönster inom geofysiska data.

Se även

Vidare läsning

En allmän översikt över geofysiska metoder inom arkeologi finns i följande verk:

Clark, Anthony J. (1996). Att se under jorden. Prospekteringsmetoder i arkeologi . London, Storbritannien: BT Batsford Ltd.
Gaffney, Chris; John Gater (2003). Revealing the Buried Past: Geofysik för arkeologer . Stroud, Storbritannien: Tempus.
Witten, Alan (2006). Handbok i geofysik och arkeologi . London, Storbritannien: Equinox Publishing Ltd.

externa länkar