Rys historyczny:
Pierwsze udokumentowanie zastosowania geofizyki miało miejsce już na początku XVI wieku i polegało na użyciu kompasu dla zlokalizowania złóż żelaza w północnej Szwecji. Powszechne wprowadzenie pomiarów geofizycznych jako samodzielnej metody w geologii miało jednak miejsce dopiero w latach 1910-1930 i wiązało się z poszukiwaniem nowych źródeł energii- węgla i ropy naftowej.
Kolejny ważny etap rozwoju geofizyki polegał na udoskonaleniu urządzeń pomiarowych i wiązał się on z tzw. „rewolucją elektroniczną”, mającą miejsce w czasie II Wojny Światowej i w latach bezpośrednio po jej zakończeniu. Powstały wtedy takie konstrukcje jak precyzyjna aparatura geoelektryczna, magnometry o dużej czułości, sonar, grawimetry i sejsmografy.
Polska była jednym z krajów, gdzie zastosowano po raz pierwszy niektóre metody geofizyczne w badaniach archeologicznych. W połowie lat 70-tych powstała pracownia archeologiczno-geofizyczna w ówczesnym Instytucie Kultury Materialnej PAN. Jednym z celów tej placówki, kierowanej przez wiele lat przez dr. Jacka Przeniosło, była koordynacja działań dostosowujących różnorodne metody techniczne dla potrzeb badań archeologicznych.
Metody elektromagnetyczne:
· Elektromagnetyczne pomiary przewodności gruntu
Zasady pomiaru przewodności elektrycznej gruntu polegają na indukowaniu pola elektromagnetycznego wywołującego w gruncie powstanie prądu elektrycznego o parametrach zbliżonych do stosowanego w badaniach elektrooporowych. Zaletą tego typu pomiaru jest to, że nie jest konieczny bezpośredni kontakt z gruntem, a zastosowana aparatura składa się z nadajnika i odbiornika.Wartość generowanego prądu jest wprost proporcjonalna do przewodności gruntu w zasięgu działania aparatury. Aparatura do pomiarów w terenie jest kalibrowana dla gruntów jednorodnych. Jeżeli w strefie przypowierzchniowej występują wielowarstwowe, złożone struktury to mierzona jesr średnia wartość przewodności do głębokości stanowiacej maksymalny zasięg penetracji fali elektromagnetycznej. Zasięg głębokościowy prospekcji zależy od odległości od nadajnika i odbiornika. Pomiary przewodności gruntu są użyteczne w określaniu zasięgu stanowisk, lokalizacji pustek nad ziemią, wykrywania zmian chemicznych gruntu związanych z intensywnym użytkowaniem rolniczym czy osadniczym danego terenu w mniej lub bardziej odległych czasach.
Możliwości i ograniczenia zastosowań w archeologii
Obserwacje zmian przewodności gruntu mogą być stosowane na większości stanowisk archeologicznych. Przewagą tej metody w stosunku do pomiarów oporności gruntu jest to, że nie wymaga ona bezpośredniego kontaktu z gruntem. Jest ona przydatna w lokalizacji tzw. zmian bocznych w warstwach związanych z zaleganiem ciał o odmiennej od otoczenia charakterystyce. Ta cecha pozwala na lokalizację większości dużych obektów archeologicznych.
Ograniczenia stosowania tej metody w badaniach archeologicznych wynikają głównie ze specyfiki konstrukcji urządzeń pomiarowych. Dodatkowym utrudnieniem w prowadzeniu samych pomiarów w terenie jest obecność budynków, linii wysokiego napięcia, silnie przepalonych struktur pochodzenia współczesnego.
Technika wykonywania pomiarów w terenie i akwizycja danych
Pomiary przewodności elektrycznej nie wymagają bezpośredniego kontaktu i urządzenia pomiarowe można przenosić na pewnej wysokości nad powierzchnią gruntu. W celu zwiększenia możliwości wykrywania zmian przewodności często stosuje się pomiary z dwoma ustawieniami anten w stosunku do profilu.
Opracowanie i interpretacja danych pomiarowych
Rezultaty pomiarów przewodności elektrycznej prezentowane są w formie wykresów zmian wartości przewodności wzdłuż linii pomiarowej, na której zaznaczono zmieniające się odległości od stałego punktu bazowego. Analiza rezultatów pomiarów ogranicza się z reguły do interpretacji jakościowej wydzialającej lokalne podwyższenia lub obniżenia oporności.
Koszty badań
W Polsce nie wykonywało się do tej pory pomiarów przewodności gruntu na szerszą skalę. Decydowały o tym: wyższe koszty aparatury niż w przypadku zestawów do badań elektrooporowych, bardziej skomplikowany system akwizycji danych pomiarowych, ograniczenie metody do jednoznacznego wykrywania duzych obiektów.
· Pomiary aparaturą typu „Slingram”
System „Slingram” zakłada wykorzystanie naturalnych właściwości dipoli magnetycznych. Metoda ta analizuje szereg zjawisk fizycznych powstających w gruncie w przypadku obecności pola elektromagnetycznego. Metoda „Slingram” odznacza się dwoma podstawowymi cechami oryginalnymi: pozwala na jednoczesny pomiar przewodności elektrycznej i podatności magnetycznej, umożliwia zastosowanie użytych do badań aparatów również jako wykrywaczy metali bez dokonywania jakichkolwiek zmian konstrukcyjnych. Możliwości i ograniczenia zastosowań w archeologii
Pomiary systemem „Slingram” pozwalają na wychwycenie niewielkich zmian właściwości pola elektromagnetycznego. Metoda ta jest również skuteczna w rozpoznawaniu obiektów przepalonych: skupisk ceramiki, palenisk, pozostałości dymarek. Jest to metoda przydatna przede wszystkim w fazie wstępnego rozpoznania stanowisk archeologicznych. System „Slingram” jest wrażliwy na współczesne zakłócenia pola elektromagnetycznego. Innym utrudnieniem w wykonywaniu odczytów w terenie są nagłe zmiany oporności warstw przypowierzchniowych.
Technika wykonywania pomiarów w terenie i akwizycja danych
Pomiary aparaturą typu „Slingram” nie wymagają bezpośredniego kontaktu z gruntem. Nie można jednak prowadzić nią pomiarów ciągłych. Można prowadzić tą metodą obserwacje w tzw. siatce przemiennej tj. pomiar w punktach parzystych na profilach o numeracji parzystej i nieparzystych na profilach numeracji nieparzystej.
Opracowanie i interpretacja danych pomiarowych
Interpretacja danych ogranicza się głównie do analizy jakościowej, chociaż dysponowanie informacjami o dwóch różnych parametrach właściwości gruntu w badanym terenie w wielu przypadkach umożliwia także analizę ilościową.
Koszty badań
Aparatura typu „Slingram” nie była nigdy produkowana w celach komercyjnych i dlatego trudno określić koszty jej wytworzenia. W Polsce badania metodą „Slingram” były wykonywane wyłącznie we współpracy z ekipami francuskiego Centrum Badań Geofizycznych CNRS w Garchy i były finansowane z polsko-francuskich programów wymiany naukowej.
· Metoda radiowa- VLF
Metoda VLF opiera się na pomiarach składowych pola elektromagnetycznego. Metoda nie wymaga ani trwałego kontaktu z gruntem przy śledzeniu względnych zmian oporności, ani odczytów w punktach bazowych. Była stosowana w geologii jako jeden ze sposobów pomiarów oporności gruntu, kiedy wysoki opór warstw przypowierzchniowych lub liczne uskoki tektoniczne ograniczały możliwości zastosowania metody elektrooporowej.
Możliowści i ograniczenia zastosowań w archeologii
Pomiary VLF, nie wymagające bezpośredniego kontaktu z gruntem, mogą być wykonywane na stanowiskach, gdzie klasyczna prospekcja geoelektryczna jest niemożliwa z powodu np. wysokiej oporności warstw przypowierzchniowych. Najpoważniejszym ograniczeniem w stosowaniu metody VLF jest ograniczenie możliwości orzekania o głębokości zalegania poszukiwanych obiektów i wrażliwość na współczesne zakłócenia pola magnetycznego.
Aparatura stosowana w prospekcji terenowej
Pierwsze odbiorniki VLF były dostrojone tylko na jedną stację nadawczą, a pomiary z ich zastosowaniem można było wykonywać tylko w jednym kierunku z zachowaniem orientacji w stronę źródła sygnału. Obecnie stosowana aparatura to konstrukcje wielokanałowe pozwalające z korzystania z wielu stacji nadawczych jako źródła sygnału.
Technika wykonywania pomiarów w terenie i akwizycja danych
Technika wykonywania pomiarów w terenie tą metodą jest różna w zależności od zastosowanego urządzenia i od tego czy obserwujemy tylko zmiany względne oporności, czy dokonujemy pomiarów rzeczywistych wartości oporów.
Sposoby opracowywania i interpretacji danych
Wyniki pomiarów metodą VLF przedstawiane są najczęściej w formie wydruków w różnych odcieniach szarości, obrazujących zmiany względne oporności, lub map izolinii rozkładu bezwzględnych wartości oporów. Interpretacja danych ogranicza się do analizy jakościowej tj. opisu rodzaju, kształtów i wielkości ewentualnych zaobserwowanych anomalii w rozkładzie oporności w badanym terenie.
Koszty badań
Koszty prowadzenia badań metodą VLF nie odbiegają znacznie od nakładów ponoszonych w przypadku innych metod elektromagnetycznych.
· Metoda Radarowa GPR (Ground Penetrating Radar)
Podstawa zastosowania to wprowadzenie do gruntu fali elektromagnetycznej o stosunkowo niskiej częstotliwości 1-1000 MHz za pomocą anteny kontaktowej. Fala przechodząc przez zalegające pod ziemią warstwy o różnych właściwościach geoelektrycznych ulega załamaniu przy zmiania ośrodków, jest pochłaniana lub odbijana. Odbite echo rejestruje się za pomocą anteny odbiorczej i porównuje z oryginalnym wyemitowanym sygnałem.
Możliwości i ograniczenia zastosowań w archeologii
Przy zmiennej wilgotności warstwy przypowierzchniowej można uzyskać całkowicie odmienne obrazy przebiegu fali odbitej. Próbowano zaradzić temu zjawisku prowadząc równoległe pomiary elektrooporowe i za pomocą Geo-Radaru, ale uzyskane wyniki nie przyniosły oczekiwanych efektów.
Aparatura stosowana w prospekcji terenowej
Standardowa aparatura do prospekcji radarowej składa się z nadajnika, urządzenia kontrolnego, anten odbiorczych, graficznego systemu przetwarzania i prezentacji danych, bloku akwizycji danych, kalibratora czasu propagacji fali, automatycznego miernika drogi. System akwizycji danych pozwala na zapisywanie odbierane sygnału wewnętrznej pamięci mikroprocesora lub na taśmie magnetofonowej za pomocą magnetofonu cyfrowego będącego integralną częścia systemu. Odbierane dane są przetwarzane i wyświetlane na ekranie ciekłokrystalicznym w postaci profilu pionowego, w którego poszczególne segmenty można powiększać przy dokładniejszej analizie uzyskanych danych.
Sposób wykonywania pomiarów i akwizycji danych
Pomiary w terenie polegają na przesuwaniu urządzenia nadawczo-odbiorczego wzdłuż wytyczonych linii profilowych. Pomiar rejestrowanego odbicia sygnału jest wykonywane w sposób ciągły oddzielnie dla każdego profilu. Jednoczesne zastosowanie dwóch anten, o w miarę zbliżonej częstotliowści, umożliwia określenie rzeczywistej prędkości przechodzenia fali w gruncie. Dane pomiarowe są zapisywane oddzielnie dla każdego profilu lub w formie zbiorów umożliwiających zastosowanie zabiegu interpretacyjnego zwanego „cięciem w czasie” pozwalającego na przygotowanie zestawów map obserwowanych zmian ośrodka na mniej więcej na jednakowej głębokości w formie modeli pseudo-trójwymiarowych.
Sposoby opracowywania i interpretacji danych
Dalsze opracowywanie i przygotowanie graficznej prezentacji danych uzyskanych w efekcie prospekcji radarowej wymaga wyczyszczenia sygnału, czyli wyeliminowania w miarę możliwości wszystkich zakłóceń zewnętrznych. Kolejnym etapem jest określenie rzeczywistej głębokości prospekcji i wydzielenia horyzontów warstw, widocznych jako załamania fali elektromagnetycznej przy przechodzeniu do kolejnych ośrodków. Następnym etapem jest zlokalizowanie zakłóceń w naturalnym układzie warstw i próba określenia ich przyczyn. W efekcie końcowym powstają zestawienia profili lub mapy dla poszczególnych poziomów prospekcji z wydzielonymi strukturami, określonym ich charakterem, podaną przybliżoną wielkością i kształtem oraz przypuszczalną głębokością zalegania.
Koszty badań
Koszty badań metodą GPR są jednymi z najważniejszych z wszystkich metod technicznych stosowanych w archeologii. Decyduje o tym przede wszystkim wysoki koszt systemów pomiarowych, a także anten. W Polsce do celów archeologicznych wykorzystywano trzy różne systemy radarowe: będący w dyspozycji Krakowskiego Przedsiębiorstwa Geodezyjnego system SIR-1, Sir-3 używany w Pracowni Hydrogeologii i Geologii Niżu Instytutu Geografii i Przestrzennego zagospodarowania PAN w Toruniu, system PulseEkko1000w badaniach prowadzonych we współpracy z Centrum Badań Geofizycznych CNRS w Garchy we Francji.
· Prospekcja z zastosowaniem wykrywaczy metali
Wykrywacze metali zostały skonstruowane na bazie urządzeń wojskowych, jako podstawowe narzędzie poszukiwaczy „skarbów”. Są one niezbędnym narzędziem w momencie prowadzenia dokładnej prospekcji elektromagnetycznej w celu zlokalizowania niewielkich zmian pola magnetycznego. Zlokalizowanie zakłóceń związanych z obecnością metali w obrębie stanowiska może dostarczyć informacji o intensywności używania terenu, miejscach współczesnych zakłóceń warstw przypowierzchniowych.
Możliwości i ograniczenia zastosowań w archeologii
mały zasięg działania urządzeń,
wykrywanie tylko jednej kategorii zabytków – metali,
przydatny np. przy badaniach obrabowanych grobów.
Aparatura stosowana w prospekcji terenowej
Większość wykrywaczy metali to urządzenia elektromagnetyczne lub elektroindukcyjne. Wytwarzając pole elektromagnetyczne wzbudzamy w metalach znajdujących się w zasięgu jego działania, prądy wirowe, rejestrowane przez odbiorczą część urządzenia. Głębokość penetracji wykrywaczy metali z reguły nie przekracza 0,6-1m. Na większych głębokościach wykrywane są tylko metale o dużej masie lub powierzchni.
Sposób wykonywania pomiarów i akwizycji danych
Główną zasadą działania jest jak najdokładniejsze rozpoznanie jak największego obszaru terenu. Antena odbiorcza urządzenia powinna być prowadzona na wysokości ok. 0,2-0,3m nad poziomem gruntu, równolegle do powierzchni, a prowadzący powinien poruszać się jednostajnie. Przy prowadzeniu wstępnego rozpoznania stanowisk archeologicznych stosowano zasadę wykonywania pomiarów ciągłych, wzdłuż wytyczonych profili odległych od siebie o 0,5-1m w zależności od spodziewanych rozmiarów poszukiwanych obiektów. Wskazania aparatury były zaznaczane w terenie i nanoszone za pomocą umownych znaków na mapę topograficzną stanowiska. Wydzielone anomalie dawały informację o rodzaju, masie i głębokości zalegania zlokalizowanego obiektu.
Koszty badań
Koszty zastosowania wykrywaczy metali są znacznie mniejsze niż w przypadku jakiejkolwiek innej metody geofizycznej. Cena większości urządzeń waha się od 300 do 2000$, natomiast najbardziej skomplikowane i najskuteczniejsze mogą kosztować ponad 15000$.
Metoda magnetyczna:
Podstawą metody magnetycznej są pomiary i analiza własności naturalnego pola magnetycznego Ziemi. Pole magnetyczne jest zmienne w czasie i przestrzeni. Obecność pola magnetycznego można stwierdzić przez obserwację dwojakiego rodzaju działań występujących w jego obrębie. Pierwsze z nich to działania dynamiczne, polegające na oddziaływaniu na siebie dwóch mas magnetycznych, drugie- indukcyjne, czyli magnesowanie ciał.
Możliwości i ograniczenia zastosowań w archeologii
Różne obiekty archeologiczne mogą być z różnym skutkiem wykrywane za pomocą pomiarów magnetycznych. Największe szanse prawidłowego zlokalizowania mamy w przypadku śledzenia pozostałości silnie przepalonych takich jak: paleniska, piece i skupiska ceramiki, konstrukcje z cegły palonej.
Metoda magnetyczna jest bardzo użyteczna w badaniu stanowisk produkcyjnych, zarówno ceramicznych jak i metalurgicznych, lokalizowaniu na cmentarzyskach grobów z wyposażeniem, wykrywaniu pozostałości architektury ceglanej. W innych przypadkach stosowanie tej metody z pozytywnym skutkiem jest znacznie ograniczone.
Zanotowane ograniczenia wynikają głównie z tego, że zmiany natężenia pola magnetycznego, wywołane obecnością obiektów archeologicznych, są relatywnie niskie. Obserwacja tych zmian wymaga więc wielu skomplikowanych zabiegów związanych z eliminowaniem takich czynników jak:
- zakłócenia pola związane z istnieniem współczesnych instalacji energetycznych, sieci wodociągowych, gazowych i telekomunikacyjnych, obecnością ogrodzeń metalowych,
- zakłócenia wywołane ruchem pociągów i pojazdów samochodowych, które rejestrowane są nawet ze znacznej odległości 300-500m od punktów pomiarowych,
- wpływu niekorzystnych układów naturalnych warstw geologicznych,
- uwzględnienie wpływu aktywności słonecznej na wyniki pomiarów.
Urządzenia stosowane w prospekcji terenowej
Pierwszymi przyrządami do pomiarów zmian pola magnetycznego wykonywanych dla celów badań archeologicznych były wagi magnetyczne. Dokładna prospekcja stała się możliwa z chwilą wprowadzenia magnetometrów protonowych. Pewną niedogodnoscią magnetometrów protonowych jest ich duża wrażliwość na silne zakłócenia pola magnetycznego i „długi” czas pomiaru, wynoszący 3-6 sekund, uniemożliwiający prowadzenie ciągłych obserwacji w terenie. W celu wyeliminowania wprowadzono do badań terenowych magnetometry systemu „Fluxgate”. Mierzą one względne zmiany pola magnetycznego. Pomiary tym urządzeniem mogą być wykonywane tylko na kierunku zgodnym z orientacją naturalnego ziemskiego pola magnetycznego. Najdokładniejszymi przyrządami stosowanymi w badaniach archeologiczno-geofizycznych są magnetometry cezowe zwane również pompowanymi optycznie. Obok obserwacji całkowitego natężenia pola magnetycznego mogą być wykonywane pomiary gradientowe. Prowadzi się je za pomocą dwóch sond umieszczonych pionowo jedna na drugą. Pomiar gradientowy pozwala na minimalizację zakłóceń pola i efektu zmian dziennych wpływających na wyniki obserwacji.
Technika prowadzenia pomiarów terenowych i akwizycja danych
W przypadku prospekcji magnetycznej przed przystąpieniem do pomiarów terenowych prowadzi się szereg prac przygotowawczych. Polegają ona na wstępnym rozpoznaniu zmian natężenia pola w obrębie stanowiska za pomocą pomiaróww różnych punktach bazowych. Sposób wykonywania pomiarów w terenie zależy od zastosowanej metody obserwacji zmian pola magnetycznego. Dokładność siatki pomiarowej zależy od wielkości poszukiwanych obiektów i głębokości ich zalegania.
Sposób graficznej prezentacji i interpretacja danych pomiarowych
Obecnie jako graficzną prezentację rezultatów badań sporządza się magnetogramy przedstawiające, na bazie wydruków w 256 odcieniach szarości, obraz zmian rozkładu natężenia pola magnetycznego zarejestrowanych w obrębie stanowiska. Dalszym etapem opracowania jest sprawdzenie prawidłowości odczytów i usunięcie anomalii będących rezultatem naturalnych zmian pola magnetycznego. Dopiero tak przygotowane dane mogą być prezentowane w formie magnetogramu.
Koszt badań
Koszt badań magnetycznych jest bardziej uzależniony od zastosowanej aparatury niż w przypadku innych metod geofizycznych. W Polsce produkowane są różnicowe magnetometry protonowe PMP-7 w cenie ok. 4.000$. Można nimi prowadzić obserwacje gradientowe, albo pomiary całkowitych zmian natężenia pola magnetycznego. Nieco wyższe będą koszty jednoczesnej rejestracji zmian gradientowych i całkowitych pola magnetycznego, ponieważ wymagają one zastosowania dwóch instrumentów pomiarowych.