geoelektriČna metodaarheologija.ff.uni-lj.si/sites/arheologija.ff.uni-lj.si/files/... · z drugim...

Arheološka geofizika. GEOELEKTRIČNA METODA

1

1

Univerza v Ljubljani Filozofska fakulteta

Oddelek za arheologijo

doc. dr. Branko Mušič

Arheološka geofizika

II. del:

GEOELEKTRIČNA METODA

- študijski pripomoček -

ver. februar 2009


2

2

KAZALO

1. GEOELEKTRIČNA UPORNOSTNA METODA 1.1 Metoda geoelektričnega kartiranja

1.1.1 Splošno 1.1.2 Teoretične osnove 1.1.3 Razvrstitev elektrodnih dvojčkov (RED) (Twin probes) 1.1.4 Izračun navidezne upornosti za razvrstitev elektrodnih

dvojčkov 1.1.4.1 Primeri geoelektričnega kartiranja z metodo elektrodnih

dvojčkov 1.1.4.2 Pedosekvence na glinah in ilovicah

1.1.4.2.1 Dolge njive na Vrhniki 2. METODA LASTNIH POTENCIALOV


3

3

1. GEOELEKTRIČNA UPORNOSTNA METODA

1.1 Metoda geoelektričnega kartiranja 1.1.1 Splošno Geoelektrična upornostna metoda sodi med aktivne geofizikalne metode, ker temelji na električnem polju, ki ga pod površjem vzpostavimo preko galvanskega člena in para tokovnih elektrod. Z drugim parom elektrod merimo spremembe v potencialni diferenci, ki jo ob poznavanju toka, izrazimo v upornosti določene prostornine tal. Ta je opredeljena z geometrijskim faktorjem, kot imenujemo razvrstitev štirih elektrod na površju (glej npr.: Dobrin et al. 1988, 762–763; Telford et al. 1990, 536; Clark 1990, 38). Električnegi tok, ki steče skozi določeno prostornino tal povzroči potencialno diferenco, ki je posledica razlik v upornosti. Meritve upornosti temeljijo na dejstvu, da se električna prevodnost arheoloških objektov razlikuje od medija v katerem se nahajajo. Na to vplivajo v največji meri dejavniki, ki kontrolirajo razdelitev vlage v tleh, ki je odvisna od količine padavin, teksture, strukture in konsistence zemljišča oz. arheoloških kulturnih plasti. Iz geometrije elektrodne razvrstitve, jakosti enosmernega toka, ki ga pošiljamo v zemljo in izmerjenega padca napetosti na določeni razdalji izračunamo upornost določene prostornine tal. Za meritve potencialnih diferenc lahko uporabimo različne razvrstitve elektrod (Dobrin, M. B. in C. H. Savit 1988, 762-763; Telford, W. M., Geldart, L. P in R. E. Sheriff 1990, 536, Clark, A. 1990, 38). Tabela 1: Upornost nekaterih materialov s katerimi se pogosto srečujemo tudi pri arheološki prospekciji (povzeto in prirejeno po Telford, W. M., Geldart, L. P. in R. E. Sherif 1990, 285-290). Upornost preiskovanega medija je v največji meri odvisna od sprememb v vlažnosti. Arheološki ostanki naravno razširjenost vlažnosti spremenijo. Kamnine vsebujejo manj vlage kot glinena tla in jarek zapolnjen z glinenim materialom, medtem, ko je v splošnem vsebnost vode v tleh odvisna od teksture zemljišča. Gline imajo v glavnem upornost 1-10 Ωm, porozne kamnine 100-1000 Ωm, medtem ko imajo neporozne kamnine upornost nekje med 103 in 106 Ωm (tabela 1). Z meritvami navidezne upornosti odkrivamo področja anomalnih prevodnosti, ki so lahko med drugim tudi posledica arheoloških ostankov. V tleh se samo majhen del električnega toka prevaja na dielektričen način preko mineralnih delcev v zemljišču in kamninah, ki so v glavnem izolatorji. Večina električnega toka v tleh se prevaja na elektrolitski način. Meteorska voda, ki vsebuje raztopljeno ogljikovo kislino

Material r(r(r(r(ohm.m)

prod do 8000suh pesek 300-1000

vlažen pesek 100-300glina,ilovica 2-50

konglomerati 2.103-2.104

peščenjaki 1-6,4.108

glinovci 20-2.103

lapor 3-70

apnenec 50-107

dolomit 3,5.102-5.103

granit 4,4.103-1010

marmor 102-2,5.108

tuf 2.103-105

humus 50-100

meteorska voda 30-103

površinska voda 10-100voda v tleh 100

morska voda 0.2


4

4

(H CO2 3 ) in druge sestavine, ustvari prevodni elektrolit s kemično reakcijo z minerali v tleh, ki prav tako vsebujejo šibko prevodne organske kisline. Vse te spojine disociirajo v pozitivne in negativne ione, ki prevajajo elektriko (Npr.: CaCO CO H O Ca HCO3 2 2 2 32+ + → + ). To pomeni, da apnenec (kalcijev karbonat, CaCO3) s CO2 in H2O tvori kalcijev bikarbonat Ca(HCO3)2 oz. disociira v kalcijev ion z električnim nabojem 2+ in negativno nabite karbonatne ione. K prevodnosti v tleh prav tako prispevajo tudi huminske kisline. Glavna funkcija tokovnih elektrod je, da vzpostavijo polje potencialnega gradienta v tleh, ki ga merimo s potencialnimi elektrodami. Črte enakih potencialov (presek ekvipotencialnih ploskev s površino), so pod pravim kotom nasproti tokovnicam električnega toka (sliki 1 in 3). V homogenih tleh steče približno pol električnega toka do globine, ki je enaka dvakratni razdalji med tokovnima elektrodama. Upornost dobimo z množenjem meritev z geometrijskim faktorjem (slika 2). Če sta globina do trdne geološke podlage in sestava zemljišča enaki, bo oblika ekvipotencialnih ploskev in smer električnega toka stalna in bodo meritve po vsem terenu podobne, podpovršinski arheološki ostanki pa bodo povzročili anomalne vrednosti, ki bodo odstopale od izmerjenih vrednosti ozadja. Če obstaja v zemljišču objekt z višjo upornostjo, bo električni tok stekel okoli njega. Električni tok bo poiskal sicer daljšo, vendar lažjo pot. To zmanjša gostoto električnega toka v bližini telesa z visoko upornostjo, kar povzroči zvišanje potencialnega gradienta. Gradient merimo s potencialnimi elektrodami. V tem primeru se je zvišala napetost U , s tem pa tudi U I R/ = , kar da na tem mestu pozitivno upornostno anomalijo. Objekt z nizko upornostjo, kot je npr. vlažna glina s katero je bil zapolnjen jarek, bo predstavljal lahko pot za prevajanje električnega toka. To bo znižalo potencialni gradient v bližini jarka, kar da nižjo električno upornost. Meritve upornosti tal za detekcijo arheoloških ostankov so se v arheologiji uveljavile kot prva geofizikalna metoda, ki pa se še danes poleg magnetnih metod najbolj pogosto uporablja pri arheološki prospekciji (glej npr.: Brizzolari, E. 1992, 109-119; Lapenna, V. et al. 1992, 133-143; Bozzo, E. in F. Merlanti 1992, 145-156; Cosentino, P., Gagliano Candela, E. in D. Luzio 1992, 193-208; Cruciani, A. in D. Monna 1992, 209-214; Szymanski, J.E. in P. Tsourlos 1993, 5-32; Corney, M., Gaffney, C. F. in J. A. Gater 1994, 121-128; Bozzo, E. et al. 1994, 19-35; Herbich, T., Misiewicz, K. in O. Teschauer 1997, 105-112; Rozycki, A. 1997, 139-145; Sutherland, T. L., Schmidt, A. in S. J. Dickrill 1998, 229-237; Aspinall, A. in J. G. Crummett 1997, 37-47; Dockrill, S. J. et al. 1995, 141-154; Hesse, A. et al. 1997, 53-67; Alekseyev, V., Zhurbin, I. in D. Malyugin 1996, 219-229).

1.1.2 Teoretične osnove

Električni tok je povzročen z gibanjem delcev z električnim nabojem. V kamninah so to elektroni; v tekočinah so to molekule, ki razpadejo na osnovne dele, ki nosijo pozitivni ali negativni naboj - ioni. Če obstaja med dvema koncema električnega vodnika električna potencialna diferenca ali napetost, steče skozenj električni tok. Jakost tega toka je odvisna od upornosti vodnika. Analogijo lahko najdemo pri toku vode skozi cev. Potencialna diferenca je pritisk vode v cevi in električni tok predstavlja volumski tok vode. Ožja kot je cev, višja je upornost in nižji je volumski tok za nek določen tlak (razliko v tlakih). Upornost je vrednost, ki nam omogoča, da lahko med seboj primerjamo materiale z različno upornostjo v standardizirani obliki. Po SI enotah je enota za upornost Ωm. To pomeni, da je upornost materiala s prostornino 1m3 v primeru, ko je potencialna diferenca med nasprotnima ploskvama 1V enaka 1 Ωm.


5

5

Upornost je proporcionalna uporu materiala (1):

ρ =RA

L (1)

ρ =upornost materiala R=upor A=površina prereza električnega vodnika L=dolžina vodnika

Upoštevajoč nekatere posebnosti meritev upornosti pri geoelektričnih raziskavah predpostavimo za izpeljavo enačbe za izračun upornosti točkovni izvor električnega toka v polneskončnem prostoru z enako upornostjo (sliki 1 in 3). Električna prevodnost zraka nad medijem je enaka nič. V tem primeru steče ves električni tok skozi polkroglasto prostornino v spodnjem mediju.

Slika 1: Shematični prikaz točkovnega izvora električnega toka na površini homogenega in izotropnega sredstva (Telford, W. M., Geldart, L. P in R. E. Sheriff 1990, 524). Z upoštevanjem enačbe 11 in Ohmovega zakona (2) dobimo enačbe 3, 4 in 5:

− =UR

I (2)

ρL

A

U

I= − (3)

ρL

A

U

I= − (4)

U

Li

I

r= − = −ρ ρ

π2 2 (5)

Podobno lahko ugotovimo tudi za gostoto električnega toka (j), s katero opišemo tok, ki steče skozi enoto površine hemisfere (6):

jI

r

I

A= =

2 2π (6)

Tok, ki steče skozi poloblo je enak (7):


6

6

IU U dU

dr r

r dU

dr=

− +=

( )

/ρ π

π

ρ2

22

2

(7)

ali

dUIdr

r= −

ρ

π2 2 (8)

Potencial v kateri koli dani točki je torej:

UI

r=

ρ

π2 (9)

Ekvipotencialne ploskve so v tem primeru površine polobel (slika 1). Pri geoelektričnih upornostnih metodah imamo običajno opravka z dvema tokovnima (C1,C2) in dvema potencialnima (P1,P2) elektrodama (slika 2).

Slika 2: Dve tokovni in dve potencialni elektrodi na površju homogenega in izotropnega medija upornosti ρ . (C1,2 - tokovni elektrodi, P1,2 - potencialni elektrodi, r-razdalje med elektrodami). Potencial zaradi tokovne elektrode C1 v točki P1 je (10):

UI

C PP1 2 1 1

=ρ

π (10)

Ker je tok na obeh elektrodah enak in nasprotno usmerjen je potencial zaradi tokovne elektrode C2 v točki P1 enak (11):

UI

C PP2 2 2 1

= −ρ

π (11)

Potencial zaradi obeh tokovnih elektrod je na P1 enak (12):

UC P C P

1

1 1 2 12

1 1= −

ρ

π( ) (12)

za P2 (13):

UC P C P

2

1 2 2 22

1 1= −

ρ

π( ) (13)


7

7

Slika 3: Ekvipotencialne ploskve in smer električnega toka za točkovni izvor in ponor električnega toka na površju homogenega in izotropnega medija. (a)-horizontalni prerez, (b) - vertikalni prerez, (c) - spreminjanje potencialov na površju vzdolž ravne linije, ki povezuje obe tokovni elektrodi (po Telford, W. M. et al. 1990, 525).

Potencialna diferenca (∆ U) med točkama P1 in P2 (slika 2):

U UI

C P C P C P C P1 2

1 1 2 1 1 2 2 22

1 1 1 1− = − − −

ρ

π(( ) ( )) (14)

ali:

∆UI

C P C P C P C P= − − +

ρ

π2

1 1 1 1

1 1 2 1 1 2 2 2

( ) (15)

geometrijski faktor G

Končno lahko zapišemo krajši izraz za upornost za katerokoli dano točko (16):

ρπ

=∆U

I G

2

. (16)

Slika 4: Najbolj pogosto uporabljene kolinearne elektrodne razvrstitve in enačbe za izračunavanje upornosti v geologiji (po Dobrin, M. B. in C. H. Savit 1990, 760-763). a.) Wennerjeva razvrstitev


8

8

ρ πa aU

I= 2

∆ (17)

b.) Schlumbergerjeva razvrstitev

ρπ

a

Sa

a

U

I=

−( )2

2

4 ∆ (18)

c.) Dvojni dipol

ρ πa n n n aU

I= + +( )( )1 2

∆ (19)

d.) Pol-dipol

ρ πa an nU

I= +2 1( )

∆ (20)

e.) Pol-pol

ρ πa aU

I= 2

∆ (21)

Od naštetih elektrodnih razvrstitev se je v fazi uvajanja geoelektričnih upornostnih metod v arheologijo razmeroma pogosto uporabljala Wennerjeva razvrstitev elektrod, ki so jo v zadnjem desetletju sicer zamenjale druge elektrodne razvrstitve, vendar še vedno najdemo precej objav, ki obravnavajo rezultate te metode na arheoloških najdiščih (glej npr. Ayadi, A., Laouici, D. in F. Idjeraoui 1992, 13-19). Zanimiv primer obdelave rezultatov kartiranja s to razvrstitvijo podajajo P. Cosentino in sodelavci (1992, 193-208). Se pa ta razvrstitev še vedno veliko uporablja za geoelektrično sondiranje (glej npr. Bozzo, E. in F. Merlanti, 1992, 145-156). Zanimiv način uporabe Wennerjeve elektrodne razvrstitve za uporabo v arheologiji je razvil C. Carr (1982), ki vpeljuje izraz Barnes layer method za poseben empirični in statistični pristop k vrednotenju rezultatov geoelektričnega sondiranja na primeru prazgodovinskih naselbinskih ostankov. Ciljni objekti niso konkretni arheološki ostanki, temveč kulturne plasti z zapisi o različnih aktivnostih v arheološki preteklosti (use areas). Wennerjevo razvrstitev je pri geoelektričnem kartiranju skoraj povsem izpodrinila postavitev dvojnega dipola, ki se v arheogiji veliko uporablja tudi za geoelektrično sondiranje in pseudosekcije (glej npr. Lapenna, V. et al. 1992, 133-143), kot tudi pri prvih poskusih geoelektrične tomografije za potrebe arheologije (glej npr. Szymanski, J. E. in P. Tsourlos 1993, 5-32). Schlumbergerjeva gradientna razvrstitev, ki se v geologiji zelo pogosto uporablja za geoelektrično sondiranje se je v arheologiji pojavila samo poskusno z nekaj testi v doktorski diseraciji C. Gaffneya (1991). Neizkoriščene so možnosti te razvrstitve predvsem za ugotavljanje globine do “sterilne” geološke podlage, kar ima lahko določen praktičen pomen za načrtovanje arheoloških izkopavanj (glej npr. Brizzolari, E. et al. 1992, 109-119). V vsej Evropi je danes nedvomno najbolj razširjena elektrodna razvrstitev za geoelektrično kartiranje v arheolgiji z razvrstitvijo elektrodnih dvojčkov (RED; Twin probes). Uporabnost te razvrstitve za arheološko prospekcijo je prvi utemeljil dr. Roger Walker (Geoscan Research, Bradford). 1.1.3 Razvrstitev elektrodnih dvojčkov (RED) (Twin probes)


9

9

Metoda elektrodnih dvojčkov (angl.: Twin probes array, Geoscan RM15) (Clark 1990, 43–44), ki se najpogosteje uporablja za geoelektrično kartiranje v arheologiji (glej npr: Walker 2000, 119–132), je izvedena iz elektrodne razvrstitve dvojnega dipola (Telford et al. 1990, 536) in hkrati zelo spominja na kratko normalno sondo, ki se uporablja pri karotažnih meritvah v geologiji (Telford et al. 1990, 649). Ime je dobila po dveh identičnih parih elektrod (C1P1 in C2P2). En par tokovne in potencialne elektrode (C1P1) je praktično neskončno oddaljen od drugega enakega para (C2P2). V praksi temu pogoju zadošča 30 kratna razdalja med premičnima elektrodama (C1P1). Pri razdalji 0,5 m znaša ta razdalja samo 15 m. Pri takšni medsebojni oddaljenosti obeh parov elektrod, orientacija merilnega para ne vpliva bistveno na izmerjene vrednosti. Za odkrivanje relativno majhnih arheoloških objektov je pomembno, da se ti med meritvami nahajajo v območju visokega gradienta električnega polja. To je pri tej metodi v neposredni bližini merilnega para elektrod, kar v praksi pomeni dobro lateralno ločljivost za objekte z visoko upornostjo plitvo pod površino, kar je pri arheološki prospekciji ključnega pomena. To metodo uporabljamo izključno za geoelektrično kartiranje, ker beležimo vrednosti upornosti do enake globine, ki je določena z razdaljo med premičnima elektrodama (C1P1). Globinski doseg pri razdalji 0,5 m in optimalni vlažnosti tal znaša največ 1,5 m. Poleg razdalje med premičnima elektrodama na globinski doseg znatno vpliva tudi namočenost terena. Pri visoki vlažnosti vrhnjega dela tal je ta globina običajno manjša, ker večina električnega toka steče v smeri boljše električne prevodnosti plitvo pod površjem. Razvrstitev elektrodnih dvojčkov se danes uporablja skoraj izključno za geoelektrično kartiranje v arheologiji (Clark, A. 1990, 43-44). Razdalje med premičnim parom elektrod (C1,P1) je praviloma od 0,5 m do 1 m. Pri razdalji 0,5 m merimo razlike v upornosti v neposredni bližini tokovne elektrode C1 kjer je električno polje najbolj “občutljivo” na spremembe v upornosti materiala. Dejansko je v tem delu gradient električnega polja največji, kar omogoča zaznavanje tudi zelo majhnih sprememb v potencialih oziroma upornosti. S tem in pa s hitrostjo izvajanja meritev, ki omogoča veliko število meritev na enoto površine v relativno kratkem času, ker premikamo samo en par elektrod, sta izpolnjena dva bistvena pogoja za uporabo geoelektričnega kartiranja v arheologiji. Ciljni objekti so običajno majhni, ležijo plitvo pod površjem in imajo pogosto tudi šibek kontrast v upornosti nasproti tlem, v katerih se nahajajo. S tem, ko je bilo zadoščeno tem pogojem, so bila na široko odprta vrata številnim šumom, ki so posledica raznih “nepravilnosti” na površini in tik pod njo. To so najpogosteje spremembe v teksturi tal, ki so posledica sodobne kmetijske izrabe površin, parcelnih mej, ornic, majhne parcele z različno namembnostjo pa spreminjajo vrednosti ozadja na kratkih razdaljah, majhne topografske anomalije povzročijo t.im. topografski efekt, ki se najpogosteje pojavlja na pregibu pobočij oz. teras in se kaže kot izrazito visoke vrednosti upornosti. Učinek nekaterih vrst šumov je ilustriran na slikah 5 in 6. Ti šumi so vidni tudi kot izrazite stopnice v histogramih, ki kažejo zastopanost vrednosti po razredih (slika 7). Slika 5: Ravna pri Knjaževcu. "Surove" vrednosti upornosti. Visokofrekvenčne anomalije so posledica oranja, nizkofrekvenčne pa različne namembnosti površin na različnih parcelah. Šibak trend vzpenjanja od juga proti severu je verjetno posledica nagiba geološke podlage.


10

10

Najmanjše spremembe upornosti, ki jih registriramo z RED in instrumentom Geoscan RM15 znašajo 3% vrednosti ozadja meritev. Upornost merimo v pravilni mreži z razdaljo 1 m med profili in enako razdaljo med merilnimi točkami. Z gostejšo mrežo meritev dobimo boljše rezultate, ki jih seveda ne moremo dovolj dobro simulirati z matematičnimi algoritmi, vendar je poraba časa za terensko delo sorazmerno večja, kar zelo vpliva na ekonomičnost raziskave. Matriko "surovih" vrednosti lahko “zgostimo” tudi z bikubično interpolacijo (Davis, J. C. 1973, 204-207) in tako simuliramo odčitke na 0.5 oz. 0.25 m. Danes še vedno velja, da z razvrstitvijo elektrodnih dvojčkov (Twin probes) praviloma merimo le relativne razlike v upornosti (Clark, A. 1990, 43-44), kar pomeni, da rezultati meritev na različnih arheoloških najdiščih niso med seboj primerljivi. Zaradi hitrejšega poteka terenskega dela sta položaj oddaljenih elektrod in razdalja med tem parom elektrod namreč poljubna in nimamo določenega geometrijskega faktorja (slika 2: C2,P2). S spreminjanjem razdalje med elektrodama C2,P2 uravnavamo višino ozadja meritev. Pri visoki vlažnosti zemljišča sta elektrodi bliže skupaj (nekaj dm) izmerjene vrednosti pa so le nekaj 10 Ω. Na izrazito suhem terenu je lahko razdalja med elektrodama tudi 2 m in več, vrednosti upora, pa so lahko še vedno zelo visoke (preko 1000 Ω). Slika 6: Krtina pri Domžalah. Pedosekvenca na glinah in ilovicah. Anomalije upornosti zaradi morfologije terena. Razgibani mikrorelief zaradi parcelnih mej in ornice povzroča visokofrekvenčne upornostne anomalije, ki so posledica relativnih razlik v vsebnosti vlage med topografsko višjimi in nižjimi površinami.

0 10 20 30 40 50 60 70 80

razdalja (m)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

razd

alja

(m

)

1521273339455157636975

ohm-ov

PZ

PZ

PZ

ohm.m

0 10 20 30 40 50 60 70 80

razdalja (m)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

razd

alja

(m

)

PM

PM

PM

PM

PM

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

PM

PM

PM

PM - parcelne meje

B - brazde v ornici


11

11

Slika 7: Krtina pri Domžalah. Histogram distribucije vrednosti upornosti. Jasno sta vidna dva vrhova frekvenc pri 25 Ωm in 40 Ωm (n=5600, m=33 Ωm, s=9 Ωm, min=15,5 ofm.m, max=86,5 Ωm), ki sta posledica mikroreliefa zaradi sodobne kmetijske izrabe površin. Slika 8: Shematski prikaz poteka geoelektričnega kartiranja in dokumentiranja naključne pozicije “nepremičnih” oz. oddaljenih elektrod (remote probes) in razdalje med obema elektrodama (C2,P2) na primeru najdišča “Založnica” na Ljubljanskem barju pri Kamniku pod Krimom.

Če želimo ugotavljati statistično značilne relacije med izmerjenimi vrednostmi upornosti na različnih pedosekvencah moramo rezultate meritev na nek način standardizirati. To lahko rešimo z izračunom upornosti z enačbo, ki se sicer uporablja za podobno razvrstitev pri meritvah v vrtinah (23) (slika 11). To enačbo sem za potrebe razvrstitve elektrodnih dvojčkov le nekoliko korigiral, pri čemer sem skušal upoštevati vse posebnosti te razvrstitve (24). Pri terenskem delu je razlika v tem, da moramo pri vsakem premiku oddaljenih elektrod natančno dokumentirati položaj oddaljenih elektrod (C2,P2) in tudi razdaljo med njimi (sliki 8 in 9). Samo na ta način lahko vrednosti dobro standardiziramo kar nam omogoča ugotavljanje statistično značilnih odnosov med izmerjenimi vrednostmi na različnih arheoloških najdiščih. Na ta način definiramo splošne ključe za ugotavljanje območij namembnosti oziroma aktivnosti na podlagi statističnih parametrov.

20 30 40 50 60 70 80

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

340

št. v

redn

osti

v ra

zred

u

razredi (ohm.m)

m m+1s m+2s


12

12

Slika 9: Shematski prikaz poteka geoelektričnega kartiranja in sistematičnega dokumentiranja pozicije “nepremičnih” oz. oddaljenih elektrod in razdalje med obema elektrodama (C2,P2).

1.1.4 Izračun navidezne upornosti za razvrstitev elektrodnih dvojčkov Če isto elektrodno razvrstitev z nespremenjeno globino efektivnega dosega prestavljamo v pravilni mreži govorimo o geoelektričnem kartiranju. Od leta 1985 se za geoelektrično kartiranje v arheologiji veliko uporablja razvrstitev elektrodnih dvojčkov (Twin probes) (slika 10). A. Clark (1990, 43-44) jo opisuje kot orodje, ki je bilo razvito za potrebe arheologije in v drugih strokah ni uporabno. Danes vemo, da je ta elektrodna razvrstitev uporabna tudi za reševanje posebnih primerov v geologiji (glej: Reynolds, J. M. 1997). Isti avtor nadalje piše, da lahko s takšno razvrstitvijo elektrod merimo le relativne vrednosti upornosti. Kot prednost pred ostalimi elektrodnimi konfiguracijami pa navaja visoko občutljivost za vse spremembe v električni prevodnosti blizu površja. Slednje vsekakor drži, ker je električni tok najbolj občutljiv na spremembe v prevodnosti na mestih, kjer je gradient električnega toka največji, to pa je v neposredni bližini tokovne elektrode C1. Nekoliko bolj vprašljivi sta prvi dve trditvi. V bistvu gre za kratko normalno sondo, ki jo uporabljajo za merjenje upornosti v vrtinah (geoelektrična karotaža). Pri tej elektrodni razvrstitvi zavisi upornost v veliki meri od. električne upornosti materialov v neposredni bližini elektrod C1 in P1 (Telford, W. M., Geldart, L. P. in R. E. Sheriff 1990, 650). To je lastnost, ki je zaželjena tudi pri geoelektričnem kartiranju v arheologiji. Razdalja med elektrodama pri kratki normalni sondi je 0,4 m medtem, ko je pri dolgi normalni sondi 1,6 m. Tudi te razdalje so primerljive s tistimi, ki jih uporabljamo v arheologiji. “Oddaljeni elektrodi” (C2,P2) sta lahko na stalni poziciji na površju oz. v vrtini, vendar daleč stran od para “premičnih elektrod” (C1,P1) (slika 11).


13

13

Slika 10: Shematski prikaz položaja elektrod pri razvrstitvi elektrodnih dvojčkov. C1,P1-par premičnih elektrod; C2,P2-par nepremičnih elektrod. Iz enačb (15) in (16) sledi:

ρ π= − − + −41 1 1 1

1 1 2 1 1 2 2 2

1∆U

I C P C P C P C P( ) (22)

Upornost za normalno elektrodno razvrstitev lahko izračunamo po enačbi (23), ker le ta zavisi v glavnem od upornosti materialov v bližini elektrod C1 in P1: Slika 11: Normalna elektrodna razvrstitev pri meritvah upornosti v vrtinah (prirejeno po Telford, W. M., Geldart, L. P. in E. E. Sheriff 1990, 649, slika 11.4a). Ta razvrstitev je še najbolj podobna razvrstitvi elektrodnih dvojčkov.

ρ π≈ 4 1 1

∆U

IC P( ) (23)

Za vrednotenje rezultatov geofizikalnih raziskav v smislu ocene potenciala različnih metod v različnih naravnih okoljih, samo relativne vrednosti ne zadoščajo povsem. Za dosego tega cilja je potreben statistični pristop, ki ga na primeru razvrstitve elektrodnih dvojčkov natančneje razlagam v nadaljevanju. Eden od potrebnih pogojev za primerjavo rezultatov na različnih terenih je tudi enačba v kateri upoštevamo geometrijski faktor razvrstitve elektrodnih dvojčkov in izračunavamo upornost za določeno prostornino tal. V ta namen lahko z upoštevanjem nekaterih posebnosti razvrstitve elektrodnih dvojčkov uporabimo enačbo 23. Pri tem moramo upoštevati dejstvo, da merimo na Zemljini površini (polneskončni prostor) in ne v njeni notranjosti (teoretično neskončni prostor), kot pri raziskavah v vrtinah. Upoštevati moramo tudi razdaljo med drugim parom tokovne in poten-cialne elektrode (C2,P2), ki ni neskončno velika kot pri meritvah v vrtinah, temveč je približno enaka razdalji med drugim parom elektrod (C1,P1). Glede na to, da je razdalja med premičnima elektrodama (C1,P1)) stalna in znaša 0,5 m, je razdalja med oddaljenima elektrodama (C2,P2) v praksi praviloma večja. Izjemo predstavljajo le izredno vlažni tereni. Zaradi tega lahko enačbo za izračun upornosti zapišemo (24):

ρ πa

R ab

a b=

+2

2 (24)

a=razdalja med premičnim parom elektrod (mobile probes) (C1,P1)


14

14

b=razdalja med oddaljenim parom elektrod (remote probes) (C2,P2) Ker praviloma začnemo vsako geoelektrično kartiranje s to razvrstitvijo z razdaljo 1 m med oddaljenim parom elektrod (C2,P2) lahko zgornjo enačbo (24) še nekoliko poenostavimo (25):

ρ πa Rab

a b=

+ (25)

S tem je pogojno omogočena uporabo kvantitativnih metod za geoelektrično kartiranje z razvrstitvijo elektrodnih dvojčkov. S tem lahko izmerjene vrednosti v različnih naravnih okoljih med seboj primerjamo, jih statistično vrednotimo in izločimo statistične parametre, ki to okolje najbolje opredelijo. To je pomembno tudi za oceno šuma in višine ozadja na različnih pedosekvencah, kar je ključnega pomena za oceno potenciala te elektrodne razvrstitve v različnih naravnih okoljih, kot tudi potenciala ostalih geofizikalnih metod. Morda najpomemnejše pa je, da lahko rezultate geoelektričnega kartiranja s tako izračunanimi vrednostmi upornosti uporabimo tudi kot neodvisni sloj podatkov o naravnem okolju v bazi podatkov geografskih informacijskih sistemov. Posredno je s tem odprta še možnost za izdelavo modelov določenih tipov arheoloških objektov in primerjavo izmerjenih vrednosti upornosti na različnih arheoloških najdiščih. Preizkusi na terenu so pokazali tudi nekaj slabosti tega načina izračunavanja upornosti. Enačba velja za okolja, kjer imamo opravka z razmeroma homogenim medijem (pedosekvence na glinah in ilovicah ter pedosekvence na mehkih karbonatnih kamninah). Kjer se upornost v lateralni smeri hitro spreminja zaradi plitvo ležečih prodnih zasipov (pedosekvence na produ in pesku), je lahko razlika v upornosti pod obema paroma elektrod zelo velika (več 10 Ωm). Za takšne pogoje je potrebno uporabiti drugo enačbo. V literaturi najdemo še nekaj drugih predlogov za izračunavanje upornosti za razvrstitev elektrodnih dvojčkov. Najboljšo rešitev je objavil M. Martinaud (1990, 6). Avtor izhaja iz osnovne enačbe za izračun upornosti v neposredni bližini elektrod (26): r=G.R (26) Pri čemer je R=U/I, G pa je geometrijski faktor. Avtor je z upoštevanjem razdalj med C1,P1

(a) in C2,P2 (b) to enačbo priredil za izračunavanje upornosti za razvrstitev elektrodnih dvojčkov (27):

ρ π=+

2 Rab

a b( ) (27)

Ker v realnosti upornost v bližini obeh parov tokovne in potencialne elektrode ni enaka vpelje izraz, ki upošteva različne vrednosti upornosti za vsak par elektrod (28):

Ra b

= +(') /

ρ ρ2 (28)

Če v enačbi (27) upoštevamo izraz (28) dobimo enačbo za izračunavanje upornosti za razvrstitev elektrodnih dvojčkov (29): ρ π ρ= −2 aR " (29)


15

15

pri čemer velja (30):

ρ ρ" '=a

b (30)

Končno lahko zapišemo celo enačbo (31):

ρ π ρ= −2 aRa

b' (31)

Preprostejši način izračunavanja upornosti pod premičnim parom elektrod predlaga A. Clark (1990, 20). Gre za empirično enačbo, ki temelji na dveh meritvah električne upornosti pri dveh različnih razdaljah med premičnima elektrodama (C1,P1) (32):

ρπ

=−

−

2 1 2ab R R

b a

( ) (32)

a b, - razdalji med premičnima alektrodama (C1,P1) R R1 2, - izmerjen upor za razdalji a b, Za posebne pogoje, kjer sta razdalji med premičnima elektrodama (C1,P1) 0.5m (a) in 1m (b) velja naslednji izraz (33): ρ π= −2 1 2( )R R (33) Na podlagi različnih načinov izračunavanja upornosti za razvrstitev elektrodnih dvojčkov in na osnovi preizkusov na terenu smo sestavili izraz, ki predstavlja nekoliko korigirano enačbo (31) (M. Martinaud, 1990, 6). Ta izraz (35), ki sicer glede fizikalnih parametrov ni povsem korektno sestavljen, se je v praksi izkazal za najustreznejšega. V enačbi sta upoštevani različni razdalji med obema paroma elektrod (a:C1,P1 in b:C2,P2) ter dejstvo, da so izmerjene vrednosti upornosti odvisne poleg razdalje med pari elektrod tudi od upornosti materiala pod obema paroma elektrod. Zaradi tega je v enačbi tudi rb, ki predstavlja upornost pod parom oddaljenih, nepremičnih elektrod (C2,P2) (34, 35).

ρ π ρa baR ab

a b= −

+2

2 (34)

Po krajšanju lahko izraz zapišemo v naslednji obliki:

ρ π ρa baRab

a b= −

+ (35)

To vrednost najpreprosteje dobimo z nekaj meritvami z Wennerjevo razvrstitvijo pri različnih razdaljah med elektrodami (a). Merimo v centru oddaljenih oz. nepremičnih elektrod. Upornost je izračunana za razdalje med elektrodami od a=0,5 m do a=1 m. Za vrednost rb je uporabljena aritmetična sredina izmerjenih vrednosti. Izračunane vrednosti upornosti za RED smo preverjali z Wennerjevo razvrstitvijo (glej tabeli 3 in 4). Razlike v tako določeni upornosti so bile v primerjavi z vrednostmi upornosti v tabeli 2 glavnem zelo majhne.


16

16

A B Slika 12: A: Griblje. Pedosekvenca na glinah in ilovicah. Geoelektrično kartiranje (RED, Geoscan RM15) B: vertikalni gradient magnetnega polja (Geoscan FM36).

A B

Slika 13: Griblje. Pedosekvenca na glinah in ilovicah. A: električna prevodnost; B: magnetna susceptibilnost. Ker nas zanima izključno ocena ustreznosti geoelektričnega kartiranja za detekcijo arheoloških objektov in opredelitev naravnega okolja na različnih pedosekvencah so v nadaljevanju podani preizkusi teoretičnih izpeljav v naravi. Slika 14: Griblje. testni kvadrant velikosti 20x20 m pri Gribljah v Beli krajini, kjer sem preverjal izračune upornosti za RED.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

razdalja (m)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

razd

alja

(m)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

razdalja (m)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

r a z d a l j a ( m )

-3.5 -2.5 -1.5 -0.5 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 7.5

nT/m 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

razdalja (m)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

razd

alja

(m

)

4854606672788490ohm.m

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

razdalja (m)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

razd

alja

(m)


17

17

Slika 15: Griblje. Shematski prikaz meritev upornosti (ra) z Wennerjevo razvrstitvijo v kontrolnih točkah 1, 2, 3 in 4. Na enak način smo izmerili rb v točki 5.

Eden od testnih poligonov za preverjanje enačb za izračunavaje upornosti za RED je bil pri Gribljah v Beli krajini. Pred začetkom meritev nas je zanimala predvsem homogenost preiskovanega medija. V ta namen smo opravili geoelektrično kartiranje z RED (Geoscan RM15) (slika 12A), vertikalni gradient magnetnega polja (VGM) (Geoscan FM36) (slika 12B) in električno prevodnost (slika 13A) ter magnetno susceptibilnost (Geonics EM38) (slika 13B). Na podlagi teh rezultatov ocenjujem, da je bil teren ustrezno izbran. Nekaj razlik je bilo izmerjenih pri geoelektričnem kartiranju in vertikalni komponenti magnetnega polja medtem, ko rezultati električne prevodnosti in magnetne susceptibilnosti kažejo na zelo homogeno sredino. Zaradi tega sklepamo, da so razlike v upornosti v večji meri posledica visoke kontaktne upornosti zaradi mestoma izsušenih vrhnjih horizontov tal. Slika 16: Griblje. Shematski prikaz meritev upornosti v točki 1 in 5 z RED. Slika 17: Upornost na testnem terenu pri Gribljah izračunana z izrazom (35):

ρ π ρa baRab

a b= −

+

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

razdalja (m)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

razd

alja

(m

)

505458626670747882Navidezna specifična upornost (ohm.m)


18

18

Na preiskanem območju smo nato na kontrolnih točkah od 1 do 4 (sliki 14 in 15) izmerili upornost z Wennerjevo razvrstitvijo. Par oddaljenih oz. nepremičnih elektrod je bil ves čas na točki 5. Po enačbi (35) je pomemben podatek za izračun upornnosti za RED koeficient rb, ki pomeni upornost na mestu oddaljenih oz. nepremičnih elektrod (sliki 14 in 15: točka 5). Tudi v tej točki je bila izmerjena upornost za a=0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9 in 1 m z Wennerjevo razvrstitvijo. Za rb je bila določena srednjo vrednost za vseh 6 izmerjenih položajev. Vrednosti upornosti za RED izračunane po izrazu (35) se v glavnem dobro ujemajo s srednjimi vrednostmi za Wennerjevo razvrstitev pri 5 različnih razdaljah med elektrodami. Vrednosti v točkah 1, 2 in 4 so povsem identične (tabela 3). Razlike v točki 3 so posledica visoke kontaktne upornosti in nehomogenosti. Sicer so majhna odstopanja povsem pričakovana, ker ne gre za laboratorijske pogoje, kjer lahko pogoje meritev natančno kontroliramo, temveč za nepredvidljivo naravno okolje. Ob tem je potrebno poudariti, da se vrednosti upornosti z razmikanjem elektrod ne spreminjajo linearno temveč gre za drugačno funkcijsko odvisnost. S preizkusnimi meritvami v razmeroma homogenem in izotropnem okolju (sliki 21 in 22) je bilo ugotovljeno, da to povezavo še najbolje opiše eksponentna funkcija. Skoraj identično enačbo funkcije, ki se najbolje prilega izmerjenim vrednostim dobimo tudi v primeru, kadar v enakih intervalih razmikamo par nepremičnih oz. oddaljenih elektrod pri razvrstitvi elektrodnih dvojčkov .

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

razdalja (m)

0

10

20

30

40arhitekturne ostaline (ruševine)

2030405060708090100110ohm.m

arheološke ostaline

arhitekturne ostaline

?

?

?

testna povšina

A B

Slika 18: Ribnica 1. Pedosekvenca na glinah in ilovicah. Rezultati geoelektričnega kartiranja z RED. Razmeroma homogena testna površina na pedosekvenci na glinah in ilovicah, ki smo jo izbrali za preverjanje enačb za izračunavanje upornosti za RED (A) in rezultati izračuna na primeru arhitekturnih ostankov (B) (slika 23). Eden od testnih terenov za ugotavljanje upornosti za RED je bil tudi na pedosekvenci na glinah in ilovicah na lokaciji Ribnica1 pri Brežicah na Dolenjskem (slika 18). Ta teren smo izbrali, ker so deli terena glede na predhodne rezultate geoelektričnega kartiranja razmeroma homogeni z dobro električno prevodnostjo. Na tem terenu so bile izmerjene anomalije v električni upornosti, ki so zanesljivo posledica arheoloških ostankov. Deloma gre za arhitekturne ostanke, deloma za anomalije neznanega izvora. Za preverjanje enačb za upornost je pomembno, da imamo na razmeroma majhni površini več jasno ločenih razredov upornosti, ki so posledica arheoloških ostankov. Ker sta ti dve funkcijski odvisnosti izmerjenih vrednosti R od razdalje med elektrodami (b za RED in a za Wennerjevo razvrstitev) podobni smo uporabili za upornost pod parom nepremičnih elektrod kar aritmetično sredino izračunanih vrednosti upornosti za razdalje med elektrodami od 0,5 m do 1 m.


19

19

Tabela 3: Griblje. Primerjava izračunanih vrednosti ra za Wennerjevo razvrstitev in dveh enačb za upornost za RED. V tem primeru je bil rezultat nekoliko presenetljiv, ker je izmerjena vrednost upornosti z RED pri a=0,5 m in b=1 m povsem enaka izračunani upornosti po izrazu (35). Iz tega sledi, da lahko privzamemo kar osnovno tabelo izmerjenih vrednosti za izračunane vrednosti upornosti. Glede na to, da je bila v tej točki v času geoelektričnega kartiranja z RED izmerjena vrednost 46,0 Ω, moramo od izmerjenih vrednosti v osnovni tabeli odšteti 18,7 Ω in dobimo tabelo z upornostjo v Ωm. Slika 19: Ribnica 1. Pedosekvenca na glinah in ilovicah. Rezultati geoelektričnega kartiranja z RED na lokaciji Ribnica 1 (slika 19: A).

1 (RP)

Wenner ra=2paR RED ra=pRab/a+b ra=paR-rbab/a+b

a (m) R (ohm) ra (ohm.m) ra (srednja) a (m) b (m) R (ohm) ra (ohm.m) ra (ohm.m)

0,5 13 41 35 0,5 1 57 60 34

0,6 11 410,7 10 440,8 8 400,9 4 231 4 25

2



0,5 27 85 60 0,5 1 73 76 59

0,6 17 640,7 14 620,8 12 600,9 10 571 9 57

3



0,5 79 55 0,5 1 84 87 76

0,6 720,7 530,8 500,9 511 50

4



0,5 66 57 0,5 1 68 71 51

0,6 720,7 660,8 550,9 511 44

5 (RP)



0,5 214 167 0,5 1 75 78.5 106

0,6 1580,7 1800,8 1710,9 1641 163

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

razdalja (m)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

razd

alja

(m

)

4142

43444546

47484950

51525354

5556

ohm.m


20

20

A B

Slika 20: Ribnica 1. Elektrodne razvrstitve za Wennerjevo razvrstitev (A) in RED (B) pri preverjanju izraza (35) za upornost za RED na pedosekvenci na glinah in ilovicah. Slika 21: Ribnica 1. Enačba opisuje funkcijsko odvisnost izmerjenih vrednosti upornosti od razdalje med parom nepremičnih elektrod (b) za razvrstitev elektrodnih dvojčkov. Slika 22: Ribnica 1. Enačba opisuje funkcijsko odvisnost izmerjenih vrednosti upornosti od razdalje med parom nepremičnih elektrod (b) za razvrstitev elektrodnih dvojčkov. Tabela 4: Ribnica 1. Primerjava izračunanih vrednosti ra za Wennerjevo razvrstitev in dveh enačb za upornost za RED. Na sliki 23 vidimo, da je upornost linijskih visokoupornostnih anomalij nad arhitekturnimi ostanki višja od 40 Ωm. Če primerjamo izračunane vrednosti za RED z dejanskimi

1 (RP)


a (m) R (ohm) ra (ohm.m) rb (srednja) a (m) b (m) R (ohm) ra (ohm.m) ra (ohm.m)

0,5 20,5 64,4 46,7 0.5 1 27,3 28,6 27,3

0,6 13,3 50,10,7 10,6 46,60,8 9,1 45,70,9 7,6 42,91 6,6 41,4

1,1 6,1 42,11,2 5,4 40,6

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

14

16

18

20

22

24

26

28

MED

y=y0+A

1e-(x-xo)/t1+A

2e-(x-xo)/t2

Fit y0 + A1e (-(x-x0)/t1) + A2e^(-(x-x0)/t2) to TWIN_B:

y014,169650,25588x00,50A16,890081,23866t10,265460,04589A26,213991,04187t21,276730,30613

ohm

Razdalja med nepremičnima elektrodama (m)

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

W

y=y0+A

1e-(x-xo)/t1+A

2e-(x-xo)/t2

Fit y0 + A1e^(-(x-x0)/t1) + A2e^(-(x-x0)/t2) to WENNER_R:

y03,718950,75066x00,471260A19,315161,17627t10,042050,0205A213,08840,88752t20,35810,07743

ohm

Razdalja med elektrodami (a; cm)


21

21

vrednostmi upornosti za različne materiale (tabela 2) lahko povzamemo, da so vrednosti upornosti nižje od 40 Ωm v splošnem značilne za glino in ilovico. Vrednosti upornosti višje od 40 Ωm pa so v tem primeru lahko apnenci, laporji ipd.. Skratka, arheološki gradbeni material lahko v tem primeru tudi kvantitativno opredelimo glede na izračunane vrednosti upornosti. Iz osnovnih statističnih parametrov (slika 23; histogram) vidimo, da je na pedosekvencah na glinah in ilovicah mejna vrednost upornosti med okoljem in ostanki enaka srednji vrednosti. Slika 23: Ribnica 1. Pedosekvenca na glinah in ilovicah. Detajl iz slike 22 z izračunanimi vrednostmi upornosti z izrazom (35). 1.1.5 Primeri geoelektričnega kartiranja z metodo elektrodnih dvojčkov 1.1.5.1 Pedosekvence na glinah in ilovicah 1.1.5.1.1 Dolge njive na Vrhniki Obsežna izkopavanja je na Dolgih njivah v letih 1934 in 1936 vodil Walter Šmid / Schmid. V kratkem času in s skromnimi sredstvi je Šmid uspel razkriti osnovne obrise celotne naselbine (glej sliko 24: prirejeno po J. Horvat 1990). Ob tem je bil izdelan geodetski načrt izkopavanj, ki kaže, da sta bili podrobneje raziskani severna in zahodna stran naselbine. Po analizi skromne dokumentacije izkopavanj se je tudi pokazalo, da je Šmid sledil zgolj vrhovom zidov. Potek zidov je bil večkrat predpostavljen, ne da bi izkopali zid v celotni dolžini. V idealnih razmerah bi izbor najustreznejše geofizikalne metode oz. tehnike narekovali izključno ciljni arheološki objekti, ki bi jih želeli odkriti. V realnosti arheološke tarče prispevajo le manjši ali večji delež pri tem izboru, ker moramo vselej upoštevati tudi naravno okolje, v katerem se ti objekti nahajajo. V geofiziki imenujemo anomalijo v fizikalnem polju, ki je posledica prisotnosti arheološkega objekta, "signal", vse nepravilnosti v fizikalnih poljih, ki so posledica številnih drugih okoljskih faktorjev, pa imenujemo "šum". Izbor najustreznejše metode narekuje izključno ocena razmerja med "signalom" in "šumom", ki mora biti za konkretno metodo zadosti visoko, da je kontrast med obema slojema podatkov takšen, da zagotavlja uspešnost prospekcije. Ker je pogosto težko natančno opredeliti razmerje signal/šum za vsako od številnih metod, se je v arheološki prospekciji uveljavil pristop, ki za oblikovanje učinkovite strategije raziskav izrablja komplementarnost več različnih in neodvisnih metod. S takšno strategijo se izognemo nevarnosti napačne ocene razmerja signal/šum zaradi slabega poznavanja arheoloških in naravnih kontekstov in dobimo hkrati več neodvisnih in komplementarnih

0 20 40 60 80 100 120 1400

100

200

300

400

500

600

700

800

900

n.s.u. (ohm.m)

frekv

enca

m=41 ohm.ms=47 ohm.mmin=4 ohm.mmax=1221 ohm.m

120 122 124 126 128 130 132 134 136 138 140

razdalja (m)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

razd

alja

(m

)

303540455055606570758085ohm.m

glinaarhitekturne ostaline


22

22

podatkovnih slojev, ki izhajajo iz meritev v različnih fizikalnih poljih. Način izvajanja in rezultati ostalih geofzikalne metode, ki smo jih učinkovo uporabili na tem najdišču bodo razloženi v poglavjih namenjenih tem metodam. Na tem mestu se bomo zaradi namena študiskega gradiva omejili le na opis rezultatov geoelektričnen upornostne metode. Geološki zavod Ljubljana je septembra 1969 na pobudo Ive Mikl Curk raziskal velik del arheološkega območja na Dolgih njivah in tudi prostor trase avtoceste, ki je bila takrat v izgradnji. Gre za prve meritve geoelektrične upornosti v arheološke namene na Slovenskem. Odkrili so območja visokih vrednosti navidezne upornosti, ki so jih povezali z arheološkimi ostanki, niso pa jih mogli še zanesljivo interpretirati. Visoke vrednosti so se pokazale na predelih, kjer poteka južno, vzhodno in zahodno obzidje. Videl se je tudi močno tlakovan pas na zunanji strani vzhodnega obzidja (Mikl Curk 1970; Arhiv Republiškega zavoda za varstvo kulturne dediščine; Arhiv Inštituta za arheologijo ZRC SAZU). Novembra 1969 je Mikl Curkova sondirala predele na južnem robu naselbine, ki se jih je dotaknila gradnja avtoceste: obzidje in stolpa na jugozahodnem in jugovzhodnem vogalu (sl. 2; prim. sl. 36; Mikl Curk 1974; Horvat 1990, 97–99, 205–206). Pri prvih geoelektričnih upornostnih raziskavah na Dolgih njivah, ki sta jih z Wennerjevo elektrodno razvrstitvijo leta 1969 opravila Ferdo Miklič in Janez Lapajne (Geološki zavod Ljubljana), sta avtorja vrednosti upornosti razdelila v štiri razrede: 18-26 Ωm (ozadje), 27-35 Ωm (šibke anomalije), 36-44 Ωm (srednje anomalije) in višje od 44 Ωm (močne anomalije) (Mikl Curk 1970; Arhiv Republiškega zavoda za varstvo kulturne dediščine; Arhiv Inštituta za arheologijo ZRC SAZU, Mušič, B et al. 2008) (slika 24). Slika 24: Dolge njive. Raziskovanja v letih 1934 in 1936, leta 1969 in leta 1985 (po Horvat 1990, pril. 2). Upornost (Ωm) za zadnjo geoelektrično upornostno raziskavo je bila izračunana za opredeljevanje naravnega substrata in primerjavo z vrednostmi električne prevodnosti izmerjenimi na indukcijski način z nizkofrekvenčno elaktromagnetno metodo (glej: Mušič, B. in J. Horvat, 2008). Električni upor je odvisen od geometrije elektrodne razvrstitve (glej npr. Telford 1990, 535–539). To pomeni, da bodo različne elektrodne razvrstitve, pri različni geometriji postavitve elektrod na površju, dale tudi različne vrednosti upornosti za isto prostornino tal. Tej odvisnosti odčitkov od elektrodne razvrstitve in geometrije se izognemo s pretvorbo izmerjenega električnega upora v upornost. Pravzaprav gre za navidezno upornost, ker so enačbe praviloma narejene za uniformno situacijo pod površino, kar pa je v naravi zelo redko. Za izračun upornosti smo uporabili manj zanesljivo enačbo (ρ = πRa, pri čemer je ρ upornost, R izmerjeni upor in a razdalja med premičnima elektrodama), ki jo predlaga


23

23

Walker s sodelavci (1994). Rezultati tega izračuna so podani na sliki 25, kjer smo zaradi jasnejšega prikaza generalne razširjenosti upornosti rezultate prikazali v mreži z velikostjo osnovne površinske enote 2 x 2 m. Iz teh rezultatov je razvidno, da so za negativne strukture (npr. obrambni jarek) značilne vrednosti upornosti nižje od 40 Ωm, za naravno ozadje (glina) med 40 in 50 Ωm, za tlakovane površine (npr. površina trga) med 50 in 60 Ωm in za arhitekturne ostanke vrednosti med 60 in 120 Ωm. Slika 25: Prikaz razširjenosti vrednosti navidezne upornosti, izračunane po izrazu ρ = πRa, pri čemer je ρ navidezna upornost, R izmerjeni upor in a razdalja med premičnima elektrodama. Generalizirana karta upornosti z mrežo meritev 2 x 2 m omogoča razdelitev tako izračunanih vrednosti na nekaj arheološko pomenljivih razredov: vrednosti, nižje od 40 Ωm, so značilne za obrambni jarek in druga dobro namočena območja, za naravno ozadje (glina) so med 40 in 50 Ωm, za tlakovane površine (npr. centralna površina trga) med 50 in 60 Ωm in za arhitekturne ostanke vrednosti med 60 in 120 Ωm. Vrednosti, nižje od 40 Ωm, lahko razdelimo v tri razrede: obrambni jarek (a), učinek obrambnega jarka in/ali odvodnjavanja nasipa avtoceste (b), podobne vrednosti upornosti kot v jarku (negativna struktura?) (c). Izračuni upornosti kažejo, da so vrednosti značilne za arhitekturne ostanke v splošnem višje od 50 Ωm, kar sovpada z Mikličevim razredom močnih upornostnih anomalij. Iz tega zaključujemo, da so naši izračuni upornosti s preprosto enačbo dovolj korektni za pretvorbo izmerjenih vrednosti upora v »absolutne« vrednosti, ki jasno opredelijo upornostne anomalije zaradi arhitekturnih ostankov in negativnih struktur v podobnih naravnih okoljih na širšem prostoru Ljubljanskega barja. Rezultati geoelektričnega kartiranja za potrebe arheoloških raziskav so še vedno najpogosteje podani kot električni upor (Ω) in ne kot upornost (ρ, Ωm), ker nas na arheoloških najdiščih zaradi heterogenosti preiskovanega medija, praviloma zanima kvalitativna analiza rezultatov, ki temelji na relativnih odnosih izmerjenih vrednosti upora (slika 25). Višje vrednosti od ozadja so praviloma kompaktnejše strukture kot so zidovi, tlakovane površine, ceste, ruševinske plasti ipd. medtem, ko so nižje vrednosti vedno izmerjene nad negativnimi strukturami (večji jarki in jame), ki so dobrimi kolektorji vode in zaradi tega dobro električno prevodni. Obstajajo tudi izjeme, ki jih bomo obravnavali posebej na nekaterih izbranih primerih. Dolge njive na Vrhniki so bile izbrane za uvodni primer geoelektričnega kartiranja zaradi kontrastnosti upornostnih anomalij in jasnega arheološkega konteksta, ki izhaja iz predhodnih arheoloških raziskav (glej Horvat, J. 1990) ob za upornostne raziskave ugodnih naravnih danostih (pedosekvence na glinah in ilovicah). Poznavanje tipa arheoloških ostankov, stopnje ohranjenosti in globine na kateri se pojavljajo je ključnega


24

24

pomena za načrtovanje strategije geofizikalnih raziskav in odločilno prispeva k zanesljivejši interpretaciji rezultatov. Vsekakor pa naj ta uvodna izkušnja služi kot podlaga za razumevanje zahtevnejših situacij, kjer okoliščine niso tako ugodne.

Slika 26. Rezultati geoeletričnega kartiranja na zračni fotografiji. A: Filter visokih frekvenc (low pass filter) z masko velikosti 1 x 1. Razpon prikazanih vrednosti je med 10 in 50 ohm. B: Filter nizkih frekvenc (high pass filter) z masko velikosti 5 x 5. Razpon prikazanih vrednosti je med –0,5 in +0,5 standardnega odklona (vir: DOF v merilu 1:5000, © Geodetska uprava RS).

V okviru geofizikalne raziskave na Dolgih njivah sta bili z meritvami električne prevodnosti raziskani dve območji (sliki 27 in 28: K1 in K2), ki smo ju izbrali glede na rezultate upornostne metode. Območje K1 (slika 29) je bilo izbrano za preverjanje učinkovitosti metode električne prevodnosti pri odkrivanju visokoupornostnih arhitekturnih ostankov, kar sicer ni najboljša stran te metode. Na območju K2 (slika 30) je bila preverjena odzivnost obrambnega jarka, ki smo ga prepoznali na rezultatih upornostne metode kot 7 m širok pas nizkih vrednosti, ki poteka vzporedno z vzhodnim obzidjem (glej tudi sliko 26). Ker so obrambni jarki dobri zbiralniki vode in zato dobro električno prevodni, je to za metodo električne prevodnosti pravzaprav idealna tarča. Navidezno električno prevodnost smo merili z instrumentom (Geonics EM38) v vertikalnem položaju (vertical dipole mode), pri čemer je bil z daljšo stranico postavljen v smeri profilov. V tej konfiguraciji je občutljivost instrumenta najvišja za globino, ki je enaka razmiku med tuljavama, kar je 1 m. Največja globina dosega je 1,5 m, kar velja tudi za uporabljeno upornostno metodo.

Slika 27: Rezultati geoeletričnega kartiranja na zračni fotografiji. Filter visokih frekvenc (low pass filter) z masko velikosti 1 x 1. Razpon prikazanih vrednosti je med 10 in 50 ohm. Območji K1 in K2 zamejujeta območji raziskani z metodo meritev električne prevodnosti z elektromagnetno indukcijo (Geonics EM38). Glej tudi slike 28, 29 in 30.


25

25

V splošnem velja, da se ta metoda uporablja prav za odkrivanje negativnih struktur in da je njena lateralna ločljivost na mestu visokoupornostnh objektov (npr. apnenčevi temelji stavb) precej slabša od upornostne metode. Slika 28: Rezultati geoelektričnega kartiranja in električne prevodnosti na območjih K1 in K2. Glej tudi sliki 29 in 30. Na rezultatih upornostne metode (slika 29: A1 in A2) arhitekturne ostanke prepoznamo kot linije izrazito visokih vrednosti upornosti. V tem smislu so rezultati električne prevodnosti manj jasni (slika 29: B1 in B2). Arhitekturni ostanki dajejo šibke signale slabe prevodnosti medtem, ko so notranjosti skladiščnih prostorov električno dobro prevodna območja. Podobna električna prevodnost je bila izmerjena tudi v smeri nekdanjih parcelnih mej, kar predstavlja dodatno omejitev te metode. Zaradi relativno višje vlažnosti v notranjosti se jasno loči od okolice samo objekt 6 (slika 31). Višja vlažnost od okolice je verjetno posledica dobro utrjene in za vodo slabo prepustne nekdanje hodne površine. Tlakovana cesta je vidna na rezultatih električne prevodnosti zaradi velike širine, ki ustreza lateralni ločljivosti metode za objekte slabe električne prevodnosti. Slika 29: Primerjava rezultatov upornosti (A1 in A2) in električne prevodnosti (B1 in B2) na območju z arhitekturnimi ostanki. Na sliki A2 so označeni objekti s sl. 36.


26

26

Obrambni jarek je potekal vzdolž vzhodnega in verjetno tudi južnega kraka obzidja. Med izkopavanji ga niso opazili (Mikl-Curk 1974, 373). Obrambni jarek se od naravnega okolja loči po večji poroznosti in vododržnosti. Polnilo jarka tako predstavlja kolektor vode v sicer slabo propustni glini. Jarek je tako bolje električno prevoden, kar se vidi na rezultatih upornostnih meritev (sliki 26 in 30: A1 in A2) in še bolje na rezultatih raziskav električne prevodnosti (sliki 28 in 30: B1 in B2). Glede na to, da se jarka ne vidi jasno na rezultatih magnetne raziskave, vemo, da ni bistvene razlike v magnetni susceptibilnosti med polnilom in naravnim okoljem, kar kaže na enak material v polnilu in v neposredni okolici jarka. Slika 30: Poteku obrambnega jarka sicer sledimo na rezultatih upornosti (A1 in A2: J), vendar je bolje viden na rezultatih električne prevodnosti (B1 in B2: J). Vrednosti prevodnosti se postopoma višajo od robov jarka proti središčni osi. Večina arheoloških ostankov odkritih z geofizikalno prospekcijo je vidnih na rezultatih geoelektričnega kartiranja. Z georadarsko metodo smo rezultate upornostne metode dopolnili v smislu globine in višine ohranjenosti zidov, kar je pomembno za realistični 3D prikaz arhitekturnih ostanov (sliki 32 in 33). Pomembno je vedeti, da z geoelektričnim kartiranjem dobimo integralne vrednosti upornosti do določene globine, brez natančnih podatkov o globinah anomalnih objektov in so zato rezultati vselej prikazani in interpetitrani zgolj tlorisno (slika 31). V najboljšem primeru lahko ocenimo relativne odnose v globinah in/ali stopnji ohranjenosti arheoloških ostankov.


27

27

Slika 31: Interpretacija arhitekturnih ostankov na podlagi komplementarnosti uporabljenih geofizikalnih metod. Večina identificiranih struktur je vidna na rezultatih geoelektričnega artiranja (slika 26). Slika 32: Realistični 3D prikaz naselbinskih ostankov na osnovi združene interpretacije rezultatov različnih. Pogled od jugozahoda. Slika 33: Realistični 3D prikaz naselbinskih ostankov na osnovi združene interpretacije rezultatov različnih geofizikalnih metod na aerofotografiji. Pogled od jugozahoda (vir: DOF v merilu 1 : 5000, © Geodetska uprava RS).


28

28

2. METODA LASTNIH POTENCIALOV Poleg obsežne magnetne prospekcije sem, kolikor je meni znano, na tem najdišču opravil tudi prve meritve lastnega potenciala (Self-potential, SP) za potrebe arheološke prospekcije v Sloveniji. Metoda lastnih potencialov sodi k pasivnim električnim metodam oz. metodam, ki uporabljajo naravne električne vire. Slika 34: Oprema za meritve lastnih potencialov. Glede na to bi bilo potrebno na tem mestu začeti novo poglavje, kar pa bi bilo glede na en sam preizkus na manjši površini, v smislu ocene potenciala te metode za arheološko prospekcijo težko opravičiti. Ker menim, da si ta eksperiment zaradi zanimivih rezultatov kljub vsemu zasluži vsaj kratko predstavitev, je najustreznejše mesto za to prav tukaj, kjer dopolnjuje podobo raziskave na Cvingerju pri Meniški vasi. Razlago osnovnega fizikalnega principa najdemo v vseh učbenikih uporabne geofizike (glej. npr: Telford, W. M., Geldart, L. P. in R. E. Sheriff 1990, 293-302). Bistvo metode je, da na površju merimo električne potenciale, ki nastanejo v zemlji zaradi elektrokemičnih reakcij med minerali in vodnimi raztopinami, s katerimi prihajajo v stik. Voda, ki vsebuje majhne količine soli, postane ionizirana. Ko ta voda teče skozi tla ustvarjajo premikajoči se delci z električnim nabojem električni tok. Posledica električnega toka je napetost, ki jo lahko merimo na površju. Ker arheološki ostanki v tleh spreminjajo hitrost odtekanja meteorne vode, jih lahko s to metodo zaznamo. Ta elektrokinetični učinek ali strujni oz. zeta potencial je glavni razlog za nastanek potencialov na arheoloških najdiščih (Drahor, M. G., Akyol, A. L. in N. Dilaver 1996, 141-158). Nekaj možnosti uporabe metode lastnega potenciala v arheologiji sem navedel že v uvodu. Ta ocena temelji v glavnem na rezultatih prve obsežnejše raziskave na tem področju (Wynn, J. C. in S. I. Sherwood 1984, 195-204), deloma pa se opiram tudi na predpostavke, ki izhajajo iz številnih uporab v geologiji. Tudi v novejši arheološki literaturi pa so tovrstne objave še vedno zelo redke (glej. npr.: Drahor, M. G., Akyol, A. L. in N. Dilaver 1996, 141-158). Metoda lastnega potenciala se od večine ostalih geofizikalnih metod loči po tem, da lahko vso potrebno opremo sestavimo za majhne stroške sami. Opremo porabljena na Cvingerju pri Meniški vasi je bila sestavljena po navodilih B. Bevana (1996b, 56-57). Vse kar potrebujemo je digitalni voltmeter z visoko vhodno impedanco, dva keramična cvetlična lončka, dve bakreni elektrodi, bakreno žico za povezavo med voltmetrom in elektrodami ter nasičeno raztopino bakrovega sulfata (modra galica). V kolikor nam voltmeter to omogoča, ga lahko na terenu povežemo z računalnikom (slika 34).


29

29

Slika 35: Meritve lastnega potenciala na terenu. Za preizkus te metode smO izbralI površino 100 m2 na robu metalurškega kompleksa. Izbrana površina se glede na rezultate magnetometrije in meritev navidezne magnetne susceptibilnosti nahaja na meji metalurškega kompleksa. Namen raziskave je bil preveriti ali je mogoče isto mejo metalurškega kompleksa potrditi tudi z meritvami lastnega potenciala. Meritve lastnega potenciala smo izvajali tako, da smo v smeri profila prestavljali merilno elektrodo (slika 35). Razdalja med merilnimi točkami v obeh smereh je bila 1 m. Referenčna oziroma primerjalna elektroda pa je bila ves čas na istem mestu (slika 35). Po dogovoru (Bevan, B. 1996b, 58) se za primerjalno elektrodo uporablja vedno negativna elektroda. Slika 36: Rezultati meritev lastnega potenciala. Na površini merimo napetosti, ki so posledica šibkih električnih tokov v tleh. Ti tokovi najverjetneje nastajajo pri procesu korozije železa in/ali železove žlindre, ki v stiku z vodo predstavlja šibek galvanski člen z negativnim polom na površini. To je pojav, ki je običajen nad sulfidnimi rudišči, na arheoloških najdiščih pa pride do tega efekta pri pogojih visoke vlage na antičnih rudiščih in na oksidiranih depozitih (Drahor, M. G., Akyol, A. L. in N. Dilaver 1996, 143). Slednje lahko razlagamo tudi kot deponijo odpadnih produktov železarstva, kar se zdi verjetna razlaga tudi za anomalije lastnega potenciala izmerjene na Cvingerju pri Meniški vasi.

80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90

razdalja (m)

80

81

82

83

84

85

86

87

88

89

90

r a z d a l j a ( m )

-18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

mV

M e j a

m e t a l u r š k e g a

k o

m p l e k s a


30

30

A B

Slika 37: Rezultati meritev vertikalnega gradienta magnetnega polja in lastnega potenciala (A) ter navidezne magnetne susceptibilnosti in lastnega potenciala (B). Na sliki 36 vidimo, da so bile znotraj metalurškega kompleksa izmerjeni relativno visoke negativne vrednosti potencialov. Izmerjene vrednosti potencialov se presenetljivo dobro ujemajo z rezultati magnetometrije (slika 37: A) in navidezne magnetne susceptibilnosti (slika 37, B). Na sliki 36 vidimo, da so bili ugotovljeni izraziti negativni potenciali na mestih, kjer so bili z magnetometrijo izmerjeni najvišji gradienti magnetnega polja in hkrati turi najvišje vrednosti magnetne susceptibilnosti (slika 37: B). To je na mestih, kjer so plitvo pod površjem ostanki prazgodovisnkih talilnih peči (bloki talne žlindre). To lahko upoštevamo kot zadosten dokaz za to, da gre dejansko za anomalije, ki so posledica elektrokemičnih procesov pri oksidaciji železa v odpadnih produktih metalurgije.

80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 100

razdalja (m)

80

82

84

86

88

90

92

94

96

98

100ra

zdal

ja (

m)

-18.00 to -3.00

-2.99 to 2.00 2.01 to 7.00

7.01 to 12.00

položaj primerjalne (negativne) elektrode

-60-50-40-30-20-100102030405060708090100110120130140150

nT/m

Lastni potenciali

80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 100

razdalja (m)

80

82

84

86

88

90

92

94

96

98

100

razd

alja

(m

)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

-17.50 to -3.00 -2.99 to 2.00 2.10 to 7.00

7.10 to 12.00

x10 SI-3

položaj primerjalne (negativne) elektrode

Lastni potenciali

n.m.s.

geoelektriČna metodaarheologija.ff.uni-lj.si/sites/arheologija.ff.uni-lj.si/files/... · z drugim...

Documents