Magnetische Prospektion

Inhaltsverzeichnis:

I. Einleitung

II. Das Erdmagnetfeld

III. Magnetisierung

IV. Magnetometer und ihre Funktionsweisen
a) Protonenpräzessionsmagnetometer
b) Apsorptionszellenmagnetometer
c) Saturationskernsonde

V. Praktische Messung im Feld

VI. Beispiele

VII. Probleme und Grenzen des Verfahrens

VIII. Abbildungsverzeichnis

IX. Literatur

Abbildungen

I. Einleitung:

Die Magnetische Prospektion ist eine von verschiedenen geo-physikalischen Methoden zur Untersuchung einer potentiellen archäologischen Fundstelle, bei der festgestellt werden kann, ob eine Grabung notwendig ist, ohne Suchschnitte durchzuführen. Dies ist vor allem auch nützlich, um an bekannten Fundstellen Voruntersuchungen vorzunehmen, auf deren Grundlage weitere Maßnahmen geplant werden können. Hierbei werden Anomalien der Stärke des Erdmagnetfeldes gemessen. Physikalische Terminologie und die physikalischen Grundlagen werden in dieser Arbeit zur besseren Verständlichkeit auf das notwendige Minimum reduziert.

II. Das Erdmagnetfeld:

Die Erde besitzt an der Oberfläche ein Magnetfeld von ca. 50000 nT (nano Tesla: Einheit, in der gemessen wird)^[1]. Das Magnetfeld wird bei der Messung als bekannt vorausgesetzt und nicht weiter berücksichtigt. Beachtung finden nur Abweichungen davon^[2].

Abweichungen, auch Anomalien genannt, können verschiedene Ursachen haben. Zuerst einmal muß zwischen lokalen und zeitlichen Anomalien unterschieden werden^[3]:

Lokale Anomalien werden verursacht durch unterschiedliche Magnetisierung des Bodens, z. B. durch Erzlagerstätten, inhomogene Gesteine oder Sedimente. Abweichungen von 100 – 1000 nT sind in diesen Fällen die Regel. Man spricht bei den natürlichen Anomalien des Erdmagnetfeldes von Hintergrundrauschen oder auch „noise“. Archäologische Anomalien sind lokal enger begrenzt und zeigen Abweichungen von 0,1 – 100 nT^[4].

Zeitliche Anomalien, die für die Messung von Belang sind und kompensiert werden müssen, sind schnelle Änderungen in der Intensität des Erdmagnetfeldes, die durch variierende elektrische Ströme in der Ionosphäre und den Sonnenstand verursacht werden. Diese Störungen werden als Tagesvariation bezeichnet^[5]. Weitere zeitliche Variationen treten bedingt durch verstärkte Sonnenaktivität und daraus resultierende magnetische Stürme in der Ionosphäre auf; diese sind eher unregelmäßig.

Wichtig zu beachten ist weiter, daß auch durch metallische Gegenstände in der Ausrüstung des Meßteams, Hochspannungsleitungen, Bahnschienen, fahrende oder geparkte Autos in der Nähe der zu messenden Fläche u. ä. Anomalien entstehen können^[6].

III. Magnetisierung

Eine Anomalie, die durch einen Gegenstand oder eine Bodenstruktur hervorgerufen wird, wird zum einen Teil durch Form derselben zum anderen durch Magnetisierung bestimmt.^[7] Unterschieden wird zwischen induzierter und remanenter Magnetisierung. Induzierte Magnetisierung liegt vor, wenn anfangs unmagnetische Materialien einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Bleibt die Magnetisierung auch nach Entfernen des Magnetfeldes zurück, wird dies remanente Magnetisierung genannt.^[8] Ein gewisser Anteil an Eisen in Form von Oxiden und Hydroxiden ist in den meisten Gesteinen, Böden und Sedimenten enthalten. Es sind dies vor allem Magnetit (am stärksten magnetisch, aber seltener), Maghämit (für die meisten Böden das wichtigste magnetische Mineral) und Hämatit (kommt in fast allen Böden vor). Diese Stoffe sind unter der Bezeichnung Ferrite bekannt^[9]. Ferrite verleihen den Materialien, die sie enthalten einen natürlichen remanenten Magnetismus, der jedoch meist schwach ist. Die Intensität kann durch Hitzeeinwirkung verstärkt werden, so daß bei der Abkühlung durch das Erdmagnetfeld thermoremanente Magnetisierung induziert wird und mehr oder weniger parallele Ausrichtung dazu stattfindet. Dies ist vor allem auch bei gebranntem Lehm wichtig: die Datierung wird hierdurch ermöglicht^[10]. Ferrite sind auch für die Erhöhung der Suszeptibilität (Magnetisierungsfähigkeit) von Bodenschichten verantwortlich, was zu größerer induzierter Magnetisierung führt. Oberflächenmaterial hat eine höhere Suszeptibilität als die darunterliegenden Schichten, was bezeichnet wird als Le Borgne-Effekt^[11].

IV. Magnetometer und ihre Funktionsweisen:

In der Archäologie kommen drei Arten von Magnetometern zum Einsatz^[12]:

a) Protonenpräzessionsmagnetometer: Der Sensor besteht aus einem Zylinder, der mit Stromversorgung und Meßelektronik verbunden ist und enthält einen mit protonenreicher Flüssigkeit (Wasser, Methylalkohol, Hexan, Heptan) gefüllten Behälter, der von einer Spule umgeben ist. Das Meßprinzip beruht auf zwei Eigenschaften des Protons: magnetisches Moment und Kernspin. Das Proton führt eine Bewegung um die eigene Achse durch. Wirkt ein äußeres Magnetfeld auf das Proton ein, kommt es zur Präzessionsbewegung (wie ein Kreisel, der sich nicht nur um eigene Achse, sondern auch um eine äußere feste Achse dreht). Für die Messung müssen möglichst viele Protonen diese Reaktion ausführen. Zu Beginn eines jeden Meßzyklus fließt daher ein starker Strom durch die Spule, der ein Magnetfeld erzeugt und so die Protonen in der Spulenachse ausrichtet. Nach Abschalten des künstlichen Feldes wirkt das Erdmagnetfeld und die Präzessionsbewegung kommt in Gang. Hierdurch wird in der Spule eine Spannung induziert, deren Frequenz der Präzessionsfrequenz entspricht und proportional zur Intensität des Erdmagnetfeldes ist . Diese Spannung wird gemessen^[13].

b) Apsorptionszellenmagnetometer: Der Sensor besteht hier aus einer mit Cäsiumdampf gefüllten Zelle, die über eine Spule mit einem Hochfrequenzsender gekoppelt ist. Das Funktionsprinzip ist weit komplexer als bei Protonenmagnetometern und beruht auf dem sogenanntem Zeemann-Effekt. Dieser beschreibt die Aufspaltung von Spektrallinien in Energieniveaus unter Einfluß eines Magnetfeldes. Die zugehörige Resonanzfrequenz ist Maß für Magnetfeldstärke und wird gemessen^[14].

c) Saturationskernsonde (auch Fluxgatemagnetometer): Die Messung erfolgt nicht über Präzessionsfrequenzen magnetischer Momente, sondern sog. Fluxgate Elemente. Solche Elemente bestehen aus zwei ferromagnetischen, parallel liegenden Kernen, die von je einer Erregerspule umgeben sind und durch die Spulen bis zur Sättigung magnetisiert werden; dadurch wird in einer beide Kerne umgebenden Meßspule eine Spannung induziert, die gemessen wird^[15].^[16]

V. Praktische Messung im Feld

Die zu messende Fläche wird in Quadranten von fester Größe (20x20 oder 40x40m) eingeteilt, die durch Schnüre in Bahnen unterteilt werden.^[17] Die nördliche linke obere Ecke wird mit 0, 0 angesetzt. Aus Gründen der Kompatibilität mit dem Bildverarbeitungsprogramm läuft die X-Achse nach Osten und die Y-Achse nach Süden.

Für die Genauigkeit ist die Einrichtung der Quadranten mit Hilfe eines Theodolithen oder Tachymeters notwendig, da andere Gerätschaften (Nivelliergerät, Winkelspiegel oder Maßbänder) nicht genau genug sind.

Die Meßquadranten müssen angeschlossen werden an das Landver-messungssystem oder mit Hilfe von GPS (Satellitenlokalisierungssystem) bestimmt werden.

Bei Protonenmagnetometer ist zur Korrektur der Tagesvariation die Bestimmung eines Basispunktes, der in kurzen Zeitabständen immer wieder gemessen wird, notwendig. Basispunktmessungen sind jedoch nicht in der Lage, Mikropulsationen und größere geologische Anomalien zu erfassen. Eine Gradiometeranordnug der Sonden macht dies möglich. Zwei Sonden werden hierbei in einem Abstand von 1 – 1, 5m über-einander montiert. Ohne Störungen ist das Feld in ca. 1, 5m mit dem Feld in Bodenhöhe identisch. Zeitliche Anomalien werden von beiden Sonden mitgemacht. Ohne Anomalie heben sich beide Werte auf, liegt eine vor, wirkt diese stärker auf die untere als auf die obere Sonde ein. Die Differenz der beiden Meßwerte wird als Gradient bezeichnet und aufgezeichnet^[18].

VI. Beispiele

Wie das Ergebnis einer solchen Messung aussieht, zeigt sich anhand der folgenden Beispiele:

a) Germanische Siedlung, Drösing (Niederösterreich)^[19],
b) Mittelneolithische Kreisgrabenanlage, Strögen (Niederösterreich)^[20],
c) Mittelneolithische Kreisgrabenanlage, Hornsburg (Niederösterreich)^[21],
d) Römische Villa, Halbturn (Burgenland)^[22],
e) Ramsesstadt, Nildelta (Ägypten): Die Kartierung eines Areals von ca. 780000 m² in 30 Tagen wurde mit Hilfe von Cäsium- und Fluxgatemagnetometern in Kombination mit GPS durchgeführt. Hierbei wurden ausgedehnte Wohnquartiere, Hafenanlagen, Tempel, Brunnen, Gärten und vieles andere mehr gefunden^[23].

VII. Probleme und Grenzen des Verfahrens

Wenn auch die Magnetik in vielen Fällen gute Ergebnisse liefert und als eine der zuverlässigeren Methoden dem Archäologen eine wertvolle Hilfe ist, hat auch sie ihre Grenzen^[24].

Das banalste Problem ist hierbei sicherlich, daß die Prospektion einer Fläche durch Bewuchs verhindert werden kann. Auch kann der Unter-grund selbst eine Prospektion erschweren oder unmöglich machen. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn er schon von sich aus eine sehr unterschiedliche Magnetisierung aufweist, was zum Beispiel bei vulkanischen Gesteinen (Basalt, Tuff usw.) der Fall ist. Dies führt zur Entstehung von verschiedenartigen Anomalien geologischen Ursprungs, die archäologische Anomalien überdecken. Auch bei oberflächennahen Gesteinen mit unregelmäßiger Oberflächenstruktur können natürliche und künstliche Eintiefungen nicht unterschieden werden. Starkes Hintergrundrauschen wirkt sich so oft verheerend auf die Auffindung interessanter Strukturen aus^[25].

[...]

^[1] Neubauer, W.: Geophysikalische Prospektion in der Archäologie. Mitteilungen der Anthropologischen Gesellschaft in Wien, Bd. 120, 1990, S. 5.

^[2] Neubauer 1990, S. 5; Lorra, S.: Geophysikalische Prospektion und Modellierung archäologischer Fundplätze in Schleswig-Holstein. In: Universitätsforschungen zur prähistorischen Archäologie Band 36, 1996, S. 7; Siehe auch Abb. 1.

^[3] Neubauer 1990, S. 5; Rottländer, R.: Einführung in die naturwissenschaftlichen Methoden in der Archäologie. Tübingen 1983, S. 335.

^[4] Neubauer 1990, S. 5; Rottländer 1983, S. 335.

^[5] Neubauer 1990, S. 5f; Rottländer 1983, S. 335.

^[6] Neubauer 1990, S. 6.

^[7] Neubauer 1990, S. 7; Lorra 1996, S. 7.

^[8] Neubauer 1990, S. 7.

^[9] Neubauer 1990, S. 7; Rottländer 1983, S. 335.

^[10] Neubauer 1990, S. 7f; Siehe auch Abb. 2.

^[11] Neubauer 1990, S. 8, Siehe auch Abb. 3.

^[12] Neubauer 1990, S. 10.

^[13] Neubauer 1990, S. 10f; Rottländer 1983, S. 333f; Siehe auch Abb. 4.

^[14] Neubauer 1990, S. 11; Siehe auch Abb. 5.

^[15] Neubauer 1990, S. 12f; Siehe auch Abb. 6.

^[16] Die vorliegenden Informationen zur praktischen Messung im Feld wurden zum Teil dem Internet entnommen und sind dort zu finden unter: www.univie.ac.at/Projekte/ Publications/vorl96/vorl96.html.

^[17] Neubauer 1990, S. 13.

^[18] Neubauer 1990, S. 13f.

^[19] Neubauer 1990, S. 19; Siehe auch Abb. 7.

^[20] Neubauer 1990, S. 19 – 23; Siehe auch Abb. 8 und 9.

^[21] Neubauer 1990, S. 23; Siehe auch Abb. 10.

^[22] Neubauer 1990, S. 24; Siehe auch Abb. 11.

^[23] Pusch, E. B.: Further Steps towards a Map of Pi-Ramesses. In: Eighth International Congress of Egyptologists. Abstracts of Papers. Cairo 2000, S. 145 – 146.

^[24] Neubauer 1990, S. 26.

^[25] Neubauer 1990, S. 26.