Geofysiske forundersøgelser

I denne generelle og noget summariske oversigt finde du først en indledning og dernæst en beskrivelse af metoder der falder indenfor den klassiske geofysik. Herefter et afsnit om mulighederne i remote sensing og endelig et konkluderende afsnit.

Indledning

Forundersøgelser er den praktiske undersøgelse af fundstedet der går forud for selve gravningen. Således kan indsamling af markfund, fotografering og topografisk opmåling regnes for de primære forundersøgelses teknikker. Her efter kommer som regel en prøvegravning, der også oftest regnes for en forundersøgelse. Emnet for denne artikel vil være hvordan tekniske hjælpemidler har haft betydning for den information man har kunnet uddrage af en given lokalitet før gravning. Ligesom det vil blive behandlet hvor vi står i dag og hvordan man på sigt må forvente at udviklingen fører os hen.

Den klassiske stensøger har været brugt så langt tilbage som nogen har været interesseret i noget i jorden. Det drejer sig i princippet om en stålstang som man stikker i jorden og føler om der er modstand. Ligeledes er og var det en udbredt opfattelse at man kan kortlægge strukturer ved at stampe i jorden og mærke forskelle.

Siden de allerførste flyvninger har man brugt luftfoto til kortlægning af arkæologiske forekomster. Den første publikation af fly-foto anvendt i arkæologien er fra 1906, hvor løjtnant P. H. Sharpe fotograferede Stonehenge fra en varmluftballon. Ved starten af første verdenskrig blev en del steder af arkæologisk interesse optaget ved tilfældigheder.I løbet af første verdenskrig begyndte enkelte piloter på egen hånd at opsøge af arkæologisk interesse. En af disse var RAF pilot G.A.Beazeley Der kortlagde kanalerne i det antikke Samara, meopotamien. Mod slutningen af første verdenskrig blev filmspoler og højhastighedskameraer opfundet hvorved anvendelsen af denne teknik blev gjort endnu lettere. Siden er flere filmtyper (farvefilm, infrarød-film…) og avancerede kameraer kommet til. Det er således almindeligt at større arkæologiske strukturer opdages ved hjælp af flyfoto. Flyfoto kan kaldes den simpleste form for remote sensing. Der er naturligvis ganske enkelt talt om et almindeligt fotografi taget fra stor højde. For at fremdrage strukturer af arkæologisk interesse tages billederne gerne når en farveforskel kan ses på korn der modnes i forskellige tempi det såkaldte tvangsmodningsprincip. Alternativt kan billederne tages på et tidspunkt hvor fygesne fremhæver små forskelle i topografien. Eller et tyndt lag sne afslører små variationer i jordens termiske egenskaber. Endelig er skumringens lange skygger en naturlig måde at fremhæve detaljer i landskabet.

Flyfoto kan således afsløre ting der er for store til at blive set fra jorden men for små til at kunne ses uden meget detaljeret kortlægning. Større monumenters grundplan, voldanlæg, forhistoriske veje…etc. er oplagte eksempler. En af teknikkens absolutte fordele er den materialemæssigt beskedne pris.

Anden verdenskrig førte til udviklingen af en lang række geofysiske metoder. Metoder der i alt væsentligt handler om at se skjulte ting ved hjælp af fysiske forskelle til det omgivende. Særligt har elektromagnetiske metoder,gravitative metoder og magnetiske metoder været af interesse i arkæologien. Seismiske metoder er ligeledes blevet forsøgt men med ringe held. Således er geofysiske metoder er, siden halvtresserne, i stigende grad blevet benyttet ved forundersøgelser før arkæologiske udgravninger. De seneste års teknologiske landvindinger har gjort at finere og finere detaljer med arkæologisk relevans har kunnet udskilles. Der ud over kan målingerne i dag foretages meget hurtigere og dermed spare både tid og penge. De geofysiske metoders primære karakteristikum er at de kan udføres uden indgriben . Igennem årene har primært tjekkiske, tyske og engelske arkæologer taget magnetometrien til sig. Den kan endnu ikke betegnes som en rutinemæssig forundersøgelse men har dog fundet sin plads specielt når det drejer sig om bygningsrester. Muligheder for at anvende transiente metoder til måling af ledningsevne og resistivitet har gjort denne del mere lovende, idet de tidligere metoder har været meget arbejdskrævende. I Polen og Rusland har gravimetrien vundet indpas.

For de specielle danske forhold, der er meget glacialt dominerede, synes en kombination af differentielle magnetometriske målinger (cæciummagnetometer), elektromagnetiske målinger (resistivitet/ledningsevne) og jordradar oplagt. Disse tre metoder kan i kombination give et ret præcist billede af hvad der er at finde og hvordan det ligger. De to første metoder er relativt enkle og billige at anvende hvorimod jordradaren er mere krævende både at anvende og at tolke. På grund af de generelt meget små gravimetriske kontraster i den danske undergrund vil denne metode med den fortiden kendte teknologi ikke kunne anvendes.

Geofysiske metoder

Afsnittet er inddelt i magnetometri, jordradar, resistivitet, metaldetektor og GDT

Magnetometri

Tanken bag anvendelsen af magnetometri i en arkæologisk sammenhæng er at det er muligt at måle de små variationer i det geomagnetiske felt på en given lokalitet som forårsages af forskelle i indholdet af mere eller mindre magnetiske mineraler (f.eks. magnetit). Magnetismen i mineraler er bestemt af domæner i mineralgitteret med ferromagnetisme, ferrimagnetisme og antiferromagnetisme. Nogen af de meget små variationer i magnetfeltet vi her er interesseret i henføres endvidere til en sekundær magnetisme kaldet parasitisk antiferromagnetisme. Denne magnetisme er interessant fordi den opstår under påvirkning af et ydre magnetfelt, f.eks. det geomagnetiske felt. Et mineral som hæmatit der ellers, på grund af sin antiferromagnetisme ikke skulle producere en magnetisk anomali, vil under påvirkning af det geomagnetiske felt kunne give en sådan parasitisk antiferromagnetisme og derved kunne ses i vores survey. Styrken af magnetiseringen af et mineral med ferri- og ferro-magnetiske egenskaber falder med stigende temperatur. Ved en given temperatur forsvinder denne magnetisering . Denne temperatur kaldes Curie temperaturen. Et af de relativt stærkt ferromagnetiske mineraler, magnetit, har således en curie temperatur på 578^o C. I geologiske sammenhænge hvor man ser efter langt større magnetiske anomalier end vi her går efter er det samlede indhold af magnetit generelt styrende for den magnetiske susceptibilitet i et materiale. Endelig har visse jernsulfider og sulfater en magnetisk susceptibilitet der afhænger af sammensætningen. Den magnetiske anomali vi således prøver at påvise er en funktion af mineralogien og disses koncentration i et givet materiale. Når man således kan se kompaktering som følge af færdsel, en såkaldt trafiksål, så er det alene koncentrationen af magnetiske mineraler i jorden der giver anomalien. Det geomagnetiske felt som vi måler små variationer på er desværre ikke en fast størrelse. For det første varierer det med stedet og for det andet med tiden. For tiden varierer det geomagnetiske felt langs nogle store bølger rundt om kloden. I Danmark hælder det geomagnetiske felt cirka 70^o den såkaldte magnetiske azimut og den magnetiske feltstyrke ligger omkring 50000 nT. Den daglige variation i magnetfeltet, bestemt af solens indstråling, har vi her kompenseret for ved at lave differentielle målinger. Der findes dog variationer som umuliggør en måling, de såkaldte magnetiske storme. En dag med nordlys vil det således være umuligt at arbejde på.

Den praktiske måling

I praksis starter opmålingen med at der måles en basis linie ind. Placeringen af denne linie skal kendes ganske nøjagtigt idet resten af målepunkterne pladsers i forhold til denne. Endvidere er dette område fri for rør, elektriske hegn osv. Herefter udlægges f.eks. hundrede-meter linier vinkelret på basislinien med et fast mellemrum f.eks. en meter. Efter således at have lagt et net ud er vi nu klar til at foretage selve målingen. De nødvendige beregninger af orienteringen af cæsiummagnetometrene i forhold til det geomagnetiske felt foretages. Da undersøgelsen ofte munder ud i et udgravningsfelt på cirka 10 gange 10 meter er det overordentligt vigtigt at detektorerne placeres præcist i forhold til det udlagte net. I et konstant tempo og med detektorerne lodret over hinanden i en konstant højde måles der nu op og ned langs linierne. Ideelt set skal målingerne foretages i den samme retning hver gang. Med visse instrumenter er det dog muligt at korrigere for den fejl der opstår som følge af at hver anden måling foretages i modsat retning. Det sparer både tid og kræfter (cirka 10 km pr. hektar). Intervallerne er naturligvis bestemt af størrelsesordenen af de strukturer vi ønsker at se.

Efterbehandling af filtrering af data

De rå data der herved fremkommer kan give en ide om de store strukturer og de stærkt magnetiske strukturer. For at kunne se de strukturer der er arkæologisk interessante, må data dog igennem en større matematisk efterbehandling. Denne del af processen er i de fleste tilfælde den mest tidskrævende. Den geomagnetiske gradient (GMG) skal i første omgang trækkes fra. GMG kan i de fleste tilfælde tilnærmes til en lineær funktion. I teknikkens traditionelle geologiske anvendelse Er man på nuværende tidspunkt fremme ved det man skal bruge. Da vi ikke er specielt interesseret i den underliggende geologi skal også påvirkningen herfra filtreres ud. det kan ikke altid lade sig gøre uden at miste vigtige arkæologiske data. Under betragtningen af den vertikale gradient skal der tages højde for mere subtile geologiske signaler såsom strandvolde, gamle vandløb o.s.v.

Fortolkning af magnetiske data

Magnetiske data er desværre ikke helt enkle at tolke og kan som sådan ikke tolkes umiddelbart ud fra det fremkomne kort over anomalierne. For det første spiller afstanden til det legeme der udløser anomalien ind med den tredje rod af afstanden. For det andet spiller materialet magnetiske sucseptibilitet ind. For det tredje er magnetisme i sin natur polær så orienteringen af polerne spiller ind. For det fjerde spiller legemets orientering ind. Endelig kan detektorernes vinkel i forhold til legemet have betydning. I praksis kan en del af disse faktorer dog elimineres. Grundlæggende skal man være opmærksom på at en punktformet anomali vil bestå af både en positiv og en negativ anomali. En effekt der i de fleste tilfælde vil forekomme at være forstærket omkring et aflangt og/eller hældende legeme som illustreret i figur 4

Beskrivelse af data

Før vi ser på de fremkomne kort over anomalierne må vi først overveje hvad der i et område som dette kan fremkalde en kontrast. I første omgang er der naturligvis områder der på en større eller mindre grad af kompaktering end det omgivende har en større eller mindre koncentration af magnetiske mineraler. En kompaktering som følge af gentagen færdsel vil således give en anomali. ligeledes vil en gennemgravning eller en grøft give en anomali. Hvis et stolpehul, som det ofte gælder, har et større indhold af organisk materiale vil det selvfølge vise sig som et område med lavere koncentration af magnetiske mineraler. Der er dog en mulighed for at det organiske materiale har befordret en udfældeldese af jernholdige mineraler. Under alle omstændigheder må vi forvente at stolpehuller giver en kontrast. Disse ovenfor nævnte kontraster vil alle være relativt små. Er der derimod tale om et ildsted eller tegl vil vi har en dannelse at magnetit som følge af brændingen. Det giver som regel en højere anomali. Sten giver som regel også en relativt høj anomali. Endelig er der jernslagger, hvad enten der er tale om udvindingsslagger, rensningsslagger eller smedeslagger vil de give en høj anomali. Til slut vil metallisk jern og dettes korrosionsprodukter give en markant anomali.

Jordradar

Jordradar er ligeledes en teknik der virker uden egentlig indgriben I jorden. Teknikken kan give en ide om enten den dielektriskekonstant for en given overgang eller dybden til denne. Ground Penetrating Radar (GPR) på dansk jordradar bruger radiobølger med lav effekt til at afsløre forskelle I densitet I jorden og dermed afsløre lag og genstande. GPR bruger modsat traditionel radar en lille men meget følsom antenne pladseret direkte på jorden. Dybden der kan ses med radaren bestemmes af frekvensen og ledningsevne I jorden. Lavere frekvenser går dybt men med lav opløselighed på billedet mens højere frekvenser måske kun kan sen en meter ned men til gengæld med en høj opløselighed. Det skal bemærkes at radaren ikke viser genstande som punkter men som hyperbler I to dimensioner.

Oprindeligt blev GPR opfundet for at finde genstande begravet I is. Teknikken har siden udviklet sig så den kan bruges til at finde lag, forkastninger og genstande I jord.

Den store fordel er at det lader sig gøre på relativt kort tid at få et billede der minder om et profil. Jordradarens grundlæggende princip er at den udsender pulser af meget højfrekvente radiobølger og måler refleksionen af disse. Antennen eller transduceren der både udsender og modtager de reflekterede signaler trækkes nu hen over jorden. Når nu det udsendte signal vandrer gennem jordlag og andre strukturer møder det forskelle i elektrisk ledningsevne og dielektriske konstanter. Grænserne mellem forskelle i disse egenskaber afføder en refleksion af en del af signalet. Resten fortsætter nedad. Når det reflekterede signal når frem til antennen registreres den tid det har taget signalet at nå fra antennen til laget og tilbage, den såkaldte tovejstid i nanosekunder. Man kan så vælge at se på tovejstid mod afstand for at få et estimat af formen af strukturer. Det kan have klare problemer da variationer i den elektriske ledningevne kan forstyrre billedet meget markant. Desuden giver polaritetsinversioner på overgangene ekstrabilleder som et ekko at de strukturer der faktisk findes. Endeligt vil en ”punktformet” genstand ses ikke som et punkt men som en hyperbel. Der ud over skal det bemærkes at materialer med en høj ledningsevne er uigennemsigtige for radaren. Man kan således ikke se mere end højst en meter ned i ler hvorimod materiale med en meget lav ledningsevne, sand eller granit, kan give signaler fra op til 30 meters dybde. Endelig kan der forekomme interne refleksioner der giver fejlagtige linier i profilet. Der skal således et omfattende efterbehandlingsarbejde til for at få et forståeligt resultat ud. Ligesom der skal foretages en del antagelser om reflektorernes fysiske egenskaber. Nogle af problemerne kan overkommes ved f.eks. at brugen en anden antenne. En antenne med en lavere frekvens kan således nå dybere, men den vil have en lavere opløsning på signalet end en antenne med en højere frekvens. For dansk arkæologi vil der være mest udbytte af en antenne med en frekvens på 300 til 1000 MHz. Ligeledes kan en ændret form på antennen ændre karakteren af de oplysninger man kan trække ud af GPR signalet.

Resistivitet

Målingen af hvor godt jorden leder en strøm fra et punkt på overfladen til et andet. Denne faktor styres hovedsagligt af jordens fugtindhold. Den vil således kunne sige noget om f.eks. kampaktering og forskellige jordtyper med forskellig evne til at holde vand. Resistivitetsmålinger er i mange sammenhænge blevet et mere og mere udbredt instrument i blandt andet miljøvurdering, grundvandskortlægning og bonitetsvurdering i landbruget. Teknikken er over de senere år således blevet både billiger og mere udbredt. Teknikken giver først og fremmest oplysninger i fladen om jordbundsforhold. Her er det først og fremmest grundvandsforhold der afspejles. Det vil således være mere indirekte arkæologisk information man kan forvente at få.

Metaldetektor

Er i princippet en ledningsevne måling idet. Der laves et vekslende magnetfelt. Dette felt genererer en vekslende strøm i metalgenstande der igen genererer et magnetfelt som metaldetektoren måler. Frekvensen og antennen er indrettet således at målingen er så lokaliseret som mulig. Der er tale om at instrumentet udnytter det faktum at en spole uden metal og en med metal reagerer forskelligt. Metaldetektorer har været en stor hjælp i forundersøgelserne af offer moser. Det kan endda påstås at der er lokaliteter der ikke ville være opdaget uden amatørarkæologers omfattende brug af metaldetektor. Metaldetektoren har den fordel at den kan vurdere enten afstanden til genstanden eller modstanden i metallet og således give en forestilling om hvilket metal der er tale om. Derimod har metoden den ulempe i forhold til magnetometrien at den ikke kan se korroderet jern. Således kan den sige noget om tilstedeværelsen af genstande med rent metal også selvom det ikke er magnetisk. Mens magnetometrien kan sige noget om bevaringstilstand men altså kun for jerngenstande. Metaldetektoren har ydermere den fordel at den er billig og enkel at bruge.

Geophysical Diffraction Tomography (GDT)

Geophysical Diffraction Tomography (GDT) minder om sonar men er tilpasset til at finde store genstande i jorden. Der arbejdes ikke som ved sonar med reflekterede bølger men direkte bølger der bliver diffrakteret omkring en genstand eller lag med forskellig akustisk impedans. Et kort stød f.eks. et pistolskud eller et hammerslag sender bølger ud i jorden. En række mikrofoner sænket ned I et borehul på den anden side af genstanden opfanger bølgerne efter at de har passeret genstanden. Signalet vil nu have ”huller” hvor genstanden eller variationen ”skygger” for signalet. Dette signal inverteres nu i en computer så der dannes et tredimensionalt billede af genstanden. De arkæologiske oplysninger vil således handle om den ydre morphologi af en genstand eller formation man kender placeringen af.

Remote sensing

Remote sensing bruges i denne sammenhæng som virkelig fjern sansning. Det vil sige at der skal tages et fly, sattelit eller lignende i anvendelse for at skabe et overblik over variationer i fysiske egenskaber.

Infrarød fotografi (IR)

Infrarød fotografi burger en film der er følsom overfor lys der har bølgelængder der lidt længere end hvad det menneskelige øje kan se. Man får således et skift i bølgelængde gør at røde ting bliver grønne, blå ting vil helt forsvinde mens varmeafgivelse ses som røde tegninger. Små variationer i vegetation eller humusindhold i jorden kan således aftegnes på billedet og dermed afsløre f.eks. stolpehuller. De første infrarøde film så dagens lys i 1903. I 1930 blev de brugt til studiet af landskabsformer. Under anden verdenskrig blev de brugt til at afsløre kamuflerede fjender. Den militære anvendelse blev noget mindre da man opfandt en maling der kan fjerne infrarøde stråler. I arkæologien bruges teknikken først og fremmest som luftfoto med almindelige film.

TIMS Thermal Infrared Multispectral Scanner

TIMS er en videreudvikling af det infrarøde fotografi. Her vil man normalt scanne et område fra et fly for seks forskellige midt-infrarøde frekvenser. Der vil således være mulighed for at raffinere resultatet af en forudgående IR optagelse.

Billeddannende radar

Den billeddannende radar muliggør en kortlægning af et område fra luften hvor skov skyer eller et relativt tyndt sandlag forhindrer andre former for optagelser. Der anvendes en multispektrale radarfrekvenser sendt fra en satellit. Jordens overflade er således oplyst af et mikrobølge spektrum der muliggør optagelser af grænser der reflekterer radiobølger. Det er oplagt at muligheden for at se gennem op til to meter sand giver nogle arkæologiske muligheder. Byen Ubar i Oman, der har været forladt og dækket af sand siden år 300 blev fundet med denne teknik

Konkluderende bemærkninger og perspektivering

Det skal bemærkes at mange af disse metoder, til trods for at de har være brugt længe i andre sammenhænge, stadig er i deres vorden i arkæologiske sammenhænge. De seneste års udvikling har desuden gjort at langt flere fysiske parametre kan vurderes uden indgriben og med en for arkæologien relevant opløsning. Al denne viden leder naturligvis til nogle umiddelbare arkæologiske slutninger og spørgsmål. Man må nu spørge sig selv; hvilke perspektiver disse metoder åbner. Det rent arkæologiske at man før en udgravning kan danne sig et overblik over udgravningsfeltet synes indlysende. Det giver en mulighed for at anvende tid og kræfter, for slet ikke at tale om midler i øvrigt mere rationelt. Dernæst er der en mulighed for i forbindelse med f.eks. en fredningssag at vurdere udbredelsen af et fundsted. Det vil således f.eks. være oplagt at kortlægge fundamenter og andre kendte bygningsrester uden en egentlig udgravning. I forbindelse med en nødudgravning vil det være en fordel for både arkæologer og entreprenører at kunne vurdere omfanget af fundstedet umiddelbart efter at man er stødt på det. Her kommer også insitu konserveringen ind i billedet. Den mest iøjnefaldende egenskab ved teknikken er at man ikke griber ind overhovedet og dog kan give et kvalificeret svar på for insitu bevaringen grundlæggende spørgsmål som; hvad har vi? og hvor? Endvidere kan magnetometrien sammen med elektromagnetiske metoder sige noget om forholdet mellem f.eks. metallisk jern og korrosion uden at man nødvendigvis må derned og kigge efter.
Det er alt sammen ting vi kan gøre med metoderne som de foreligger her. I et videre perspektiv er der naturligvis brug for at verificere og tilpasse metoderne så vi kan opnå mere detaljeret viden om hvad vore signaler fortæller. Endvidere er der endnu uudforskede muligheder i kombinationen mellem flere geofysiske metoder.

Tibage til forsiden

Tilbage til magnetometri