Geophysikalische Prospektion

Bevor es zu einer Ausgrabung kommt, muss zuerst definiert werden, wo genau gegraben werden soll und welche Befunde zu erwarten sind. Ausgrabungen sind immer ein Akt der Zerstörung, deshalb ist eine genaue Voruntersuchung des Gebietes von grosser Wichtigkeit. Eine Möglichkeit der Untersuchung sind die geophysikalischen Prospektionsmethoden. Dies ist eine zerstörungsfreie Methode, mit der ein Blick in den Boden geworfen werden kann, ohne dass gegraben wird. Die am häufigsten verwendeten Methoden sind Geomagnetik, Geoelektrik und Georadar.

Geomagnetik

Geomagnetik ist eine Prospektionsmethode, bei der mithilfe des natürlichen Erdmagnetfeldes im Boden verborgene Strukturen sichtbar gemacht werden. Das Prinzip beruht darauf, dass Funde und Befunde im Boden eine Anomalie im Magnetfeld der Erde erzeugen. Das Vorhandensein von Eisen ist die Voraussetzung für das Auslösen von Anomalien. Vor der Messung wird die zu untersuchende Fläche in ein Gitternetz unterteilt. Entlang diesen «grids» wird gemessen. Magnetometern erfassen die Anomalien und stellen sie digital dar. Als Ergebnis entsteht eine Karte, die die Verteilung der magnetischen Anomalien zeigt. Die Messwerte werden dabei dreidimensional dargestellt, um ein gesamtes Bild der Befunde zu bekommen. Dabei werden Messwerte als Bildpunkt in einem Grau- oder Farbwert angezeigt. Der Erfolg der Messung hängt jedoch stark vom Untergrund ab. In Lehm- und Lössboden gelingt dies deutlich besser als in Gelände mit tertiären Ablagerungen. Mit der Geomagnetik können grosse Strukturen angezeigt werden, aber auch kleinere Elemente wie Pfostenlöcher, Gruben, Töpferofen und kleine metallische Gegenstände.

Abb. 1: Geomagnetische Prospektion mit dem Fluxgate-Magnetometer © Institut für Archäologische Wissenschaften, Universität Bern

EXKURS: Das Erdmagnetfeld

Das Erdmagnetfeld ist eine Schutzhülle, die die Erde vor energiereichen Teilchen aus dem All schützt. Das Magnetfeld ist die Gesamtheit von verschiedenen Prozessen, die in und über der Erde stattfinden. Dabei bilden das Hauptfeld, das Lithosphärenfeld und das äussere Magnetfeld die Hauptkomponenten des Erdmagnetfeldes. Das Hauptfeld wird durch den Geodynamo im Erdinneren hervorgerufen, indem flüssige und elektrisch leitfähige Metalle rotieren und dadurch ein Magnetfeld erzeugen. Das Lithosphärenfeld entsteht durch den natürlichen Magnetismus der Gesteine in der Erdkruste. Der externe Anteil des Erdmagnetfeldes wird ausserhalb der Erde durch Wechselwirkungen in der Ionosphäre und der Magnetosphäre erzeugt.

Abb. 2: Das Erdmagnetfeld (Wikimedia Commons, CC BY 4.0)

Geoelektrik

Die Geoelektrik macht unterirdische Strukturen und Befunde durch die Messung ihrer elektrischen Eigenschaft sichtbar. Die Methode basiert darauf, dass der elektrische Widerstand von Befunden und Objekten anders ist als der Widerstand der umliegenden Erde. Bei der geoelektrischen Messung wird im Boden ein künstliches elektrisches Feld erzeugt. Mit einem Widerstandsmesser werden die verschiedenen elektrischen Widerstände (angezeigt in Ohm Ω) der Befunde gemessen. Für die Messung wird das Gelände in quadratische Grids eingeteilt, die in der Regel 30 x 30 m betragen. Die Grids werden wiederum in 2 m breite Bahnen unterteilt, die mit dem Messgerät im Zickzack durchlaufen werden. Das Messgerät besteht aus verschiedenen Sonden, die auf der Vermessungsstrecke im regelmässigen Abstand von 0,5 m rechtwinklig in den Boden gesteckt werden. Moderne Geräte verwenden vier oder mehr Sonden. Während der Messung werden die Messdaten automatisch und digital aufgezeichnet und anschliessend in einem Grau- oder Farbstufenbild dargestellt. Für eine erfolgreiche Messung spielen Eigenschaften des Objektes, wie seine räumliche Struktur, seine Stoffeigenschaften, sein Erhaltungszustand und seine Tiefe im Boden eine wichtige Rolle. Auch die Eigenschaften der Bodenoberfläche, wie Topographie, Bewuchs, Bebauung und die Feuchtigkeit haben Einflüsse auf die Messung.

Georadar

Beim Georadar (GPR, Ground Penetrating Radar) werden hochfrequente Impulse in den Boden gesendet, die von den Strukturen im Boden reflektiert werden. Durch die Messung der Stärke und Dauer der Reflexionen können im Boden enthaltene Strukturen sichtbar gemacht werden. Dabei wird das Messinstrument manuell oder mit einem Messfahrzeug langsam über den Boden gezogen. Die Impulse werden vom Sendegerät mit einer ungefähren Geschwindigkeit von 1/3 Lichtgeschwindigkeit in den Boden gesendet, dann von den im Boden enthaltenen Strukturen und Objekten reflektiert und vom Empfangsgerät registriert. Dabei können Veränderungen im Boden, Gräber, Steinstrukturen, usw. erkennbar gemacht werden. Auch kann die Tiefe der Objekte ermittelt werden. Die reflektierten Radarsignale werden während der Messung auf einem Datenträger aufgezeichnet und als Reflextionsamplitude dargestellt. Die Messwerte werden dabei als dreidimensionale Karten angezeigt, was die Interpretation erleichtert.

Abb. 3: Messungen mit dem Georadar (Archaeo-Physics LLC, Wikimedia Commons, Public Domain)
Literatur
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Buess, M., Grenzen und Möglichkeiten geophysikalischer Prospektion am Beispiel elektrischer Widerstandsmessungen im Vicus Petinesca bei Studen BE, Mitteilungen der Naturforschenden Gesellschaft in Bern 75, 2018, 100–111
Clauser, C. Einführung in die Geophysik. Globale physikalische Felder und Prozesse (Heidelberg 2016)
Haak, V. – Maus, S. – Korte, M. – Lühr, H., Das Erdmagnetfeld— Beobachtung und Überwachung: SPEZIAL: GEOPHYSIK, Physik in unserer Zeit 34,5, 2003, 218–224
Renfrew, C. – Bahn, P.G., Basiswissen Archäologie. Theorien, Methoden, Praxis (Darmstadt 2009)
Trachsel, M., Ur- und Frühgeschichte. Quellen, Methoden, Ziele (Zürich 2008)
Wagner, G. A., Einführung in die Archäometrie (Berlin 2007)
Zickgraf B. Geomagnetische und geoelektrische Prospektion in der Archäologie. Systematik – Geschichte -Anwendung. Zugl.: Marburg, Univ., Magisterarbeit, 1997. Rahden/Westf.: Leidorf; 1999.
https://www.gfz-potsdam.de/magservice/faq/

Letzte Änderung: 21.11.2020