SFB 1266 - TransformationsDimensionen

Phase 1 - Forschungsaktivitäten 2016-2020


G2: Geophysikalische Prospektionen, Klassifikation und Validation von Siedlungshinterlassenschaften in sich wandelnden Umgebungen



Teilprojektleitung: Prof. Dr. Wolfgang Rabbel, Dr. Dennis Wilken, Prof. Dr. Thomas Meier
Mitarbeitende: Clemens Mohr, Diana Panning, Natalie Pickartz, erica Corradini
 

 

Forschungsagenda

Transformationen sozio-ökologischer Wechselbezüge sind oft assoziiert mit einem Wandel in der Anlage von Siedlungen oder von rituellen Fundplätzen. Das Projekt G2 wendet bekannte geophysikalische Untersuchungsmethoden an und entwickelt diese weiter, um die archäologischen Hauptfundplätze des SFB zu dokumentieren.

Skizze Arbeitsbereiche
Abb. 1. Skizze der einzelnen Arbeitsbereiche von G2. Die zwei unterschiedlichen geometrischen Formen in A repräsentieren zwei abstrakte Klassen von archäologischen Objekten, welche bezüglich ihrer Form und Lage (A) untersucht werden. In B wird der innere Aufbau dieser Objekte im Hinblick auf die Verteilung physikalischer Bodenparameter bestimmt. Bohrungs- und Grabungs- begleitende geophysikalische Messungen, also in-situ Messungen dieser physikalischen Parameter, werden in D durchgeführt. Die Auflösung des Modells der Bodenparameter in B wird durch Feedback mit D verbessert. Das Ergebnis sind 3D Modelle der Objekte. Das so erlangte Wissen über Objekttypen/Objektaufbau soll dann auf nicht gegrabene Objekte angewendet werden (E).


Datenbeispiele

Abb. 2. Datenbeispiele zur illustration der verschiedenen Arbeitsbereiche (A-E) auf Abbildung 1. (A): Beispiel einer magnetischen Prospektionsfläche; der Ausschnitt zeigt ein ausgewähltes Grubenhaus, welches in B-D näher untersucht wird. (B): Beispiel einer multi-methoden-Untersuchung am ausgewählten Grubenhaus (GPR, Seismik, Geoelektrik). (C): mögliches Modell des Grubenhauses (links) auf Basis der Geophysik (B), Bohrung und Grabung (D), bestehend aus strukturellen Informationen und physikalischen Bodenparametern, sowie ein Beispiel eines modellierten magnetischen Datensatzes basierend auf dem Modell (rechts).

Forschungsergebnisse

In den Jahren 2017 bis 2019 wurden geophysikalische Messungen an folgenden Fundorten durchgeführt: am paläolithischen Fundort Horsens, am mesolithischen Fundort Duvensee, an den neolithischen Siedlungen Vráble mit der größeren Umgebung, Stolniceni, Maidanetske und am bronzezeitlichen Fundort Bornhöved. Beispielhaft werden hier Ergebnisse aus der ersten Phase des SFB beschrieben; eine ausführliche Beschreibung folgt im Abschnitt Foschungsaktivitäten.

An Hand des Beispiels des neolithischen Fundorts Maidanetske (Ukraine) wurde eine neue geophysikalische Methode zur Bestimmung der räumlichen Verteilung von magnetisierten Gebäudeüberresten (verbrannter Lehm) und deren Masse entwickelt. Damit kann die Funddichte und die innere Gebäudestruktur untersucht werden, sowie Hypothesen zu den Brandprozessen der Gebäude. Weiterhin gibt dies eine neue Möglichkeit zur Klassifizierung der Gebäude innerhalb der Siedlung.

Die systematische Verknüpfung von Geophysik, Bohrungen und Ausgrabungen ermöglichte die Bestimmung eines 3D Modells der Stratigraphie und der Verlandung als Landschaftsentwicklung des mesolithischen Fundorts Duvensee (Norddeutschland). Außerdem wurde mit der Verknüpfung ein 3D Modell linearbandkeramischer Hausgruben basierend auf Messungen in der Ausgrabung erstellt. Dies erweiterte die 2D archäologische Dokumentation in die dritte Dimension am neolithischen Fundort Vráble (Slowakei).

Forschungsaktivitäten

Von 2017 bis 2019 wurden geophysikalische Messungen am paleolithischen Fundplatz in Horsens, am mesolithischen Fundplatz in Duvensee, an den neolithischen Lokationen in Vráble und Umgebung, in Stolniceni, Maidanetske und in Bornhöved durchgeführt. Neben der flächenhaften geophysikalischen Erkundung an der Erdoberfläche wurden Punktmessungen in archäologischen Ausgrabungen und Gräben, in Bohrlöchern und an Proben aus Bohrkernen durchgeführt. Diese Daten dienten dazu, geophysikalische Oberflächenmessungen zu kalibrieren und zu erproben, Proxys für Lithologie in verschiedenen Maßstäben zu definieren und Übertragungsfunktionen in Bezug auf geophysikalische und nicht geophysikalische Bodeneigenschaften zu ermitteln.

2017 - Neolithischer Fundplatz Maidanetske (Ukraine, Zusammenarbeit mit Teilprojekt D1)

Ausgehend von umfangreichen Messungen in Maidanetske wurde eine neue geophysikalische Methode zur Bestimmung der räumlichen Verteilung magnetisierter Überreste, hier insbesondere Brandlehm, neolithischer Häuser und ihrer Massen anhand magnetischer Karten entwickelt. Die Kalibrierung der Methode basiert auf Verteilungskarten verschiedener Fundkategorien wie Brandlehm, Keramik und Steinartefakte, die in Bezug auf Masse pro Quadratmeter und magnetische Suszeptibilität quantifiziert werden. Diese Informationen wurden verwendet, um räumliche magnetische Modelle für jede Fundkategorie abzuleiten. Die entsprechenden Magnetfelder pro Fundkategorie wurden numerisch berechnet und mit den archäologischen Daten abgeglichen. Die neue gemeinsame magnetische und archäologische Methode ermöglicht die Abschätzung des Ausmaßes und der Funddichte für die gesamte außergewöhnlich große archäologische Stätte.

Ausgrabung Maidanetske
Abb. 1. Ausgrabung und geophysikalische Messungen am Planum in Maidanetske 2017.

 

2017 - Neolithischer Fundplatz Stolniceni (Moldavien, in Zusammenarbeit mit Teilprojet D1)

Suszeptibilitätsmessungen in einem dichten Raster auf einem Ausgrabungsabschnitt zeigen das Potenzial, die archäologische Struktur zusätzlich zu den traditionellen archäologischen Dokumentationen durch hochauflösende physikalische Messungen zu dokumentieren. Zusätzlich wurde die Auflösung und Eindringtiefe von GPR-Messungen analysiert. Die Stolniceni-Daten ermöglichen eine gemeinsame Inversion von GPR- und ERT-Daten und liefern Informationen über die Tiefe und Geometrie der in der Magnetkarte abgebildeten archäologischen Strukturen.

2017 & 2018 - Neolithischer Fundplatz Vrable und Umgebung (Slowakei, in Zusammenarbeit mit Teilprojekt C2)

Die Feldmessungen in Vrable konzentrierten sich auf das systematische Bohren beispielhafter magnetischer Anomalien und die Bestimmung einer umfassenden Datenbank von Suszeptibilitätstiefenfunktionen und Lithologie. Neben der statistischen Analyse dieser Daten wurden vollständige Suszeptibilitätstransekte erfasst, mit denen magnetische Untergrundmodelle rekonstruiert und synthetische magnetische Daten durch numerische Modellierung bestimmt werden können. Der Vergleich von synthetischen und gemessenen Daten ergab, dass die induzierte Magnetisierung, abgeleitet aus der Suszeptibilitätsverteilung, nur bis zu 30% der gemessenen Magnetfeldstärken erklären kann. Dies impliziert, dass die remanente ("permanente") Magnetisierung des Untergrundmaterials eine wichtige Rolle spielt. Vergleichsmessungen am Standort Vrable vor und nach der Ausgrabung zeigten den starken Einfluss des Pflügens auf die GPR- und EMI-Messungen und implizierten somit die bevorzugte Anwendung geophysikalischer Methoden direkt auf dem Aushubplanum. Am Beispiel einer Hausgrube konnten wir zeigen, dass kombinierte EMI- und GPR-Messungen in der Lage sind, die Dokumentation des Ausgrabungsbereichs von 2D bis zu 3D unter dem letzten Planum zu erweitern. Die Messungen zeigten eine ungleichmäßige Tiefenausdehnung und Füllung von Hausgruben und ermöglichten eine verbesserte Planung des Standorts und der erforderlichen Tiefen von Grabungsschnitten.

Mira Vrable
Abb. 2. Anwendung des MIRA mehrkanal-GPR Systems in Vrable.

2018 & 2019 - Bronzezeitlicher Fundplatz Mang de Bargen nahe Bornhöved (Deutschland, in Zusammenarbeit mit D3)

Großflächige Ausgrabungen der D3-Gruppe ermöglichten es, magnetische Anomalien und Objekte, die zuvor durch flächenhafte GPR-Messungen lokalisiert wurden, im Detail zu untersuchen und zu verstehen. Der Vergleich zeigte die grundsätzlichen Probleme bei der Interpretation der geophysikalischen Daten in dieser gletscherförmigen Bodenumgebung auf, die durch große Ähnlichkeiten der geologischen und anthropogenen Struktur verursacht werden (die teilweise trotz Ausgrabungen nicht unterschieden werden konnten). Dies leitete eine fortlaufende Studie zu geophysikalischen Attributen und Signaturen ein, die dabei hilft, die gemessenen Strukturen zu interpretieren. Neu gewonnene GPR-Daten weisen darüber hinaus eine Fülle hochaufgelöster Strukturen auf, die unter anderem die Identifizierung von Konstruktionsdetails von Grabhügeln und den Massenausgleich von Gräben und Grabhügeln ermöglichen.

GPR Bornhöved
Abb. 3. GPR Messungen auf einem Planum in Bornhöved.

2017, 2018 & 2019 - Mesolithischer Fundplatz Duvensee (Deutschland in Zusammenarbeit mit Teilprojekt B2)

Anhand von zwei umfangreichen GPR-Untersuchungen am Standort Duvensee konnten wir die Position, die Tiefenausdehnung und die Größe der ehemaligen, jetzt verlandeten Inseln, Seen und Landbrücken des Gebiets erkennen. Insbesondere die Inseln, auf denen sich nach archäologischen Funden mesolithische Lager befanden, konnten umrissen werden. Die erste grob gerasterte GPR-Untersuchung wurde später verfeinert und mit neuen Instrumenten (Mala MIRA System) erweitert. Auf diese Weise konnten Details früherer Küstenlinien rekonstruiert und mögliche Standorte mesolithischer Siedlungsorte eingegrenzt werden. Insbesondere konnte nachgewiesen werden, dass eine zufällig gefundene Haselnussröststelle unter einer von GPR lokalisierbaren Bodengrenzfläche liegt. Neben der beschriebenen Prospektion wurden Fortschritte bei der Einbeziehung lithologischer Informationen und vertikaler elektrischer Sondierungen von Bohrungen als Randbedingungen für die elektrische Widerstands-Tomographie erzielt, um die stratigraphische Interpretation zu verbessern (Abb. 6). Basierend auf diesem integrierten Ansatz konnte ein 3D-Modell der zeitlichen Landschaftsentwicklung abgeleitet werden, das gut zur räumlichen Verteilung und zum Alter der mesolithischen Funde passt (Abb.5).

Duvensee
Abb. 4. Geoelektrische-, GPR-, und Bohrlochmessungen in Duvensee.

2018 & 2019 - Palaeolithische Fundstelle Horsens (Dänemark, in Zusammenarbeit mit Teilprojekt B1)

Am Standort Horsens wurden GPR- und ERT-Untersuchungen durchgeführt, um Toteislöcher in der Tiefe zu erkennen und zu skizzieren. Toteislöcher sind als paläolithische Fundstellen bekannt. Basierend auf diesen Messungen wurden zwei vielversprechende Standorte durch EMI und Grabung weiter untersucht. Die ausgegrabenen Schichten weisen eine enge Übereinstimmung mit der vom GPR aufgezeigten Stratigraphie auf. Auch mittels EMI gelang es, die oberflächennahe Kontur des Toteisloches zu skizzieren.

Sonstiges

Neben den geophysikalischen Messungen an den verschiedenen Standorten wurden während der Projektlaufzeit auch methodische Arbeiten durchgeführt:

  •  Vergleichende Interpretation geophysikalischer Untersuchungen zur Rekonstruktion der Umgebung/Landschaft archäologischer Stätten und zur Erkennung archäologischer Objekte (siehe Beispiel Duvensee in Abb. 5).

Duvensee Moor
Abb. 5. Oben - Vergleich zwischen GPR und Bohrkernen und Identifizierung der Hauptfazies des Duvensee-Moores. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde eine Rekonstruktion von Teilen des Duvensee-Moores mit einer hypothetischen Regression des Wasserspiegels und der Besiedelung des Gebiets erstellt (unten).

  •  Entwicklung von Ansätzen zur Durchführung und Interpretation von Messungen des spezifischen elektrischen Widerstands und der dielektrischen Permittivität im Bohrloch (Abb. 6).

Bohrlochmessungen
Abb. 6. Anwendung und Ergebnisse von geoelektrischen Bohrlochmessungen in Duvensee.

  •  Numerische Modellierung synthetischer geophysikalischer Daten für methodische Tests und zur Unterstützung der Interpretation von Felddaten.
  • Vergleich von Oberflächen- und Bohrlochmessungen und Entwicklung von Algorithmen für eine integrierte Interpretation.
     

Eine Zusammenfassung der Ergebnisse und Ansätze findet sich auch im digitalen Beitrag zum AGU Fall meeting 2019:

  • Comparison of the accuracy of four different ways of determining magnetic susceptibility-depth-curves in situ and in the lab. It turned out that the most reliable approach is to measure susceptibilities in situ (down-hole or at exposures). Guidelines for upcoming fieldwork have been developed.
  • Development of modelling and inversion algorithms of magnetic data.
  • Determination of remanent magnetization for magnetic field data and in-situ susceptibility measurements.
  • Development of an approach to determine the masses of burnt Neolithic houses from magnetic measurements.

Magnetik Maidanetske
Abb. 7. Magnetikkarte des Maidanetske-Geländes (Ukraine, nach Rassmann et al. (2014)). Vergrößert dargestellt sind verschiedene entdeckte Haussignaturen. Das Bild unten zeigt die geschätzte Gesamtmasse pro Fläche im Verhältnis zur Gesamtmasse der Häuser in Maidanetske. Die Kurven eine Klassifizierung zweier verschiedeneer Arten von Häusern sowie sog. Megastrukturen.

Eine Zusammenfassung der Ergebnisse und Ansätze findet sich auch im digitalen Beitrag zum AGU Fall meeting 2019.

Die Ergebnisse wurden auf verschiedenen wissenschaftlichen Fachtagungen wie der International Conference on Archaeological Prospection in Sligo (Irland) (2019) und der jährlichen Herbsttagung der American Geophysical Union in San Francisco (USA) (2019) vorgestellt.

Präsentation Duvensee
Abb. 8. Präsentation der Duvensee-Ergebnisse auf der Herbsttagung der AGU 2019.