Meskó Attila
Geofizikai módszerek a régészetben


 

A régészet egyik költséges, fáradságos és időtrabló művelete az eltemetett tárgyak, eszközök felszínre hozatala, építménymaradványok, falak, sírhelyek kiásása. Néhol több méteres földréteget kell eltávolítani és sokszor óriási területen kell megtalálni azt a helyet, ahol egyáltalán érdemes a feltárással próbálkozni. A felszín növényzete és a talaj is megőrzendő érték lehet. Még ha korlátlan anyagi lehetőségek és gépek állnának is rendelkezésre, nem engedhető meg több négyzetkilométernyi területről a föld lehordása, azért hogy néhányszor tíz vagy száz négyzetméternyi helyen a keresett régészeti objektumot megtaláljuk. Olyan eljárásokra van szükségünk, melyek még a közvetlen kutatás, az ásatás megkezdése előtt megmutatják mire számíthatunk, amelyekkel szinte beleláthatunk a földbe.

 A geofizika néhány módszere alkalmas – ha nem is pontos, nem is mindig egyértelmű, de többnyire mégis használható – kép kialakítására. Természetesen nem minden objektum keresésére alkalmas. Szükséges, hogy annak valamilyen környezetétől eltérő tulajdonsága legyen. Mérete és helyzete sem közömbös. Ha túlságosan kicsiny vagy túlságosan mélyen van eltemetve, hatása a felszínen már nem lesz érzékelhető. Korlátai ellenére – főleg ha tisztában vagyunk velük – a geofizikai módszerek a régészeti kutatások nagyon hasznos segítői, előkészítői. Érdemesnek éreztük, hogy összefoglaljuk a módszerek elveit és alkalmazásuk eredményeit. Külön is kitérünk az ELTE geofizikai tanszékén Puszta Sándor által meghonosított és továbbfejlesztett mágneses kutatómódszerre. Mintegy tíz éve végeztük az első méréseket és azóta több mint 30 különböző kutatási területen több százezer mérési pont mágneses anomália adataiból szerkesztettünk térképeket, melyek egy részét a régészeti feltárások jól hasznosították.

 A geofizikai mérések a földben lévő anyagok közötti fizikai különbségeket tudják kimutatni. Egy eltemetett falmaradványnak más az elektromos ellenállása, más a mágnesezhetősége mint a környező vagy fedő talajé. Kiégetett tégláknak, tűzhelymaradványoknak saját mágneses terük van, míg a környező talajnak nincsen. De az egyszerűen csak megbolygatott talaj is más szerkezetű és más tulajdonságú lesz és emiatt megtalálhatók kiásott majd betemetett árkok, sírhelyek, házhelyek, még akkor is, ha az évszázadok alatt új rétegek kerülnek rájuk és felszíni nyomaik a szem számára
láthatatlanná válnak.

 Természetesen a geofizika csak egy a régészetet segítő számos tudomány közül.  Hasznosak lehetnek légi felvételek és műholdról készített űrfelvételek, ugyanúgy mint a talaj geokémiai analízise. Több ezer éves települések nyomai, amelyeket befedtek az üledékek, elborított a vegetáció, majd a felettük képződött új talajt elegyengette a több száz éve folyó mezőgazdasági tevékenység – a levegőből sokszor még mindig láthatók. A talaj mélyebb rétegeiben rejtetten megmaradnak és kedvező esetben a növénytakarón is nyomot hagynak az egykori emberi tevékenység reliktumai. A kémiai analízisre példa a foszfát tartalom. A foszfát koncentráció a talajban emberi és állati hulladékok miatt növekszik meg. Eloszlásából nemcsak az egykori település jelenlétére, hanem néha szerkezetére és egyes részleteire is következtetni tudunk. Bár sok érdekesség mondható el a két vázolt – és további más – régészetet segítő előkutatási módszerről, a jelen tanulmány néhány geofizikai módszer ismertetésére szorítkozik. Ezek a külön is kiemelt mágneses módszer mellett az egyenáramú és váltóáramú elektromos mérések és az elektromágneses hullámokkal dolgozó földradar.

Egyenáramú elektromos mérések

Bizonyos mértékig minden anyag, így a talaj és a kőzetek is vezetik az elektromos áramot. A vezetőképesség vagy – jobban ismert mennyiséget használva – annak reciproka, az elektromos ellenállás jelentősen függ a talaj szerkezetétől, a benne lévő pórusok méretétől és eloszlásától, az esetleges víztartalomtól és az abban oldott sók mennyiségétől, bár további, a felsoroltaknál kisebb jelentőségű tényezők is vannak. Igen kicsiny például az ellenállása – vagy ami ugyanaz nagy a vezetőképessége – a nagy pórustérfogatú talajnak vagy laza kőzetnek, ha a pórusokat víz tölti ki. Kis mennyiségű oldott só ugyanis mindig van a talajvízben. Amikor a sótartalom az átlagosnál nagyobb, az ellenállás még kisebb. Közbevetőleg jegyezzük meg, hogy ezen alapszik a mérés egy másik fontos, környezetvédelmi felhasználása: hulladéktárolóból szivárgó szennyeződés felszín alatti mozgásának követése. A hulladéktárolóból, szigetelése megsérülése esetén ugyanis szinte mindig a normál talajvíz oldott só tartalmánál nagyobb koncentrációjú elektrolit szivárog. Ha sikerül feltérképezni hol kicsiny az ellenállás nyomon követhetjük a szivárgó anyag útját.

 Nagy az elektromos ellenállása a szilárd, kemény kőzeteknek. Ez utóbbiak lehetnek akár kőfalak vagy kővel kirakott utak eltemetett maradványai is. A vezetőképesség mérésével következtetni lehet a nagy ellenállású és eléggé nagy méretű tömbök helyzetére. De ugyanígy következtetni tudunk egykori árkok, pincék helyére is, ha a beléjük kerülő anyagok, törmelékek más szerkezetűek például nagyobb pórustérfogatúak mint az eredeti bolygatatlan talaj. Az első esetben a környezetnél nagyobb, a másodikban a környezeténél kisebb ellenállás árulja el, hogy valami figyelemreméltó rejtőzhet a felszín alatt.

1. ábra. Egyenáramú szondázás elvi elrendezése (A és B áramvezető elektróda, M és N potenciálelektróda)

 Az egyenáramú szondázást úgy végezzük, hogy az 1. ábrán vázolt módon, az A és B áramelektródákkal egyenáramú jelet bocsátunk a talajba és az M és N potenciálelektródák között megmérjük az ennek hatására kialakuló feszültséget. A homogén, mindenütt azonos ellenállású közegben kialakuló áramvonalakat a vastag vonalak, az azonos potenciálú felületek, az úgynevezett ekvipotenciális felületek függőleges metszeteit a vékonyabb vonalak érzékeltetik. Jól látszik, hogy az áram nagy térfogatban folyik, emiatt az áramerősségből és feszültségből csak egy nagyobb térfogatra jellemző látszólagos fajlagos ellenállás értéket tudunk kiszámítani. Tudjuk azonban változtatni az árambevezető és a potenciált mérő elektródák helyzetét. Például, amikor az árambevezető elektródák távolsága növekszik, az áram egyre nagyobb mélységekben (is) folyik. A mérési elrendezés más mennyiségeit állandó értéken tartva és a méréseket sok különböző távolsággal elvégezve a látszólagos fajlagos ellenállás értékekből úgynevezett vertikális elektromos szondázási görbe rajzolódik ki. Ennek egy példája látható a 2. ábrán, mely mutatja, hogy a vízszintes tengelyen az áram bevezető elektródák távolsága, a függőleges tengelyen a látszólagos fajlagos ellenállás szerepel és mindkét tengely logaritmikusan skálázott.


2. ábra. A fajlagos ellenálás mélység szerinti változása egyenáramú szondázási görbén

 A szondázási görbe alakja jellemző a fajlagos ellenállás mélység szerinti változására. Könnyen áttekinthető az az eset, melyben nagyon vastag és emiatt ún. félvégtelen közeg tetején egy attól jelentősen eltérő fajlagos ellenállású másik réteg van. A tapasztalatoknak megfelelően az illusztráción is a felső réteg fajlagos ellenállását választottuk kisebbnek és az egyszerűség kedvéért vízszintes réteghatárt vettünk fel. Ez egyébként a gyakorlati kutatásban is általános közelítés. Amikor az áramot bevezető elektródák távolsága kicsiny az áram lényegében csak a felső rétegben folyik és a kapott látszólagos fajlagos ellenállás közelítőleg megegyezik a felső réteg fajlagos ellenállásával. Amikor az áramot bevezető elektródák távolsága nagy, az áram döntően az alsó rétegben folyik, a mérésből levezetett látszólagos fajlagos ellenállás közelítőleg egyezik az alsó réteg fajlagos ellenállásával. A közbülső helyzetekben kapott látszólagos fajlagos ellenállások e két érték közé esnek. Ez egyben világossá teszi miért használjuk a "látszólagos" jelzőt.
 A szondázási görbe alakja a felső réteg vastagságától is függ. Ha a réteg vékony, már viszonylag kis árambevezető elektróda távolságoknál kezdődik a növekedés. Ha a réteg vastag csak jóval nagyobb távolságnál tapasztaljuk ugyanezt. Amikor több réteg van, a szondázási görbe alakja is bonyolultabb. Sok különböző távolsággal mérve azonban a bonyolultabb esetekben is meghatározhatjuk az egyes rétegek fajlagos ellenállását és a réteghatárok mélységét.

 A mérési pontosság elég jó, a hiba általában 1%-nál kisebb. A mélységeket már csak ennél jóval nagyobb hibával tudjuk meghatározni, ugyanis a rétegek nem vízszintesek és a fajlagos ellenállás az egyes rétegeken belül is változik. Ezeket a tényezőket azonban a számításokban nem tudjuk figyelembe venni.

 A vertikális szondázások méréssorozatát több helyen is elvégezhetjük – például egy vonal mentén, egymástól azonos távolsággal eltolt mérési elrendezés középpontokkal. Így eljárva az ellenállásról egy egész szelvény mentén alkothatunk képet. A legkisebb és legnagyobb AB távolságot a kutatási feladat szabja meg.

 Gyors tájékozódásra az is elegendő lehet, ha egyetlen jól választott AB távolsággal végzünk méréseket. Ilyenkor az elektródák egymáshoz viszonyított helyzete nem változik, az egymást követő mérésekben az egész elektródarendszert a szelvény mentén, egyenlő lépésekben áttelepítjük. Ekkor nem több réteghatár mélységének és a rétegek fajlagos ellenállásainak a meghatározására törekszünk, csupán egy réteghatár mélységváltozásait próbáljuk követni. Jól választott elektróda távolságokkal a látszólagos fajlagos ellenállás értékéből erre általában következtetni lehet. Mivel csaknem mindig a felső réteghatár a kisebb ellenállású a látszólagos fajlagos ellenállás csökkenése azt jelzi, hogy a felső réteg kivastagodott, míg a látszólagos fajlagos ellenállás növekedése a felső réteg vékonyodásra utal. Természetesen részletesebb képet kapunk, ha több különböző áramot bevezető elektróda távolsággal is végig mérjük a szelvényt. A mérésekből – bár csak közelítőleg – ekkor is meghatározhatjuk a fajlagos ellenállást a szelvény mentén, a mélység függvényében, azaz szintén fajlagos ellenállás szelvényt számíthatunk.

Elektromágneses ellenállás mérések

A módszer az indukció jelenségén alapul. Az adótekercsben folyó nagyfrekvenciás, néhány kHz és néhányszor 10 kHz közötti periódusú váltóáram ugyancsak periodikusan változó mágneses teret hoz létre. Ezt elsődleges mágneses térnek nevezhetjük. Az időben szintén periodikusan változó elsődleges mágneses tér a talajban örvényáramokat indukál. Az örvényáramok következtében pedig másodlagos mágneses tér alakul ki. Ezt észleljük a vevő tekerccsel. Az örvényáramok intenzitása és így a másodlagos tér erőssége az általában használt frekvenciákon szinte kizárólag a talaj fajlagos ellenállásától függ. A vevőtekercs természetesen a teljes teret érzékeli, ami az elsődleges és a másodlagos mágneses tér összege, de az első pontosan számítható és az összegből levonható. A számítási folyamat végén ismét megkapjuk a talaj fajlagos ellenállását.

3. ábra. Egy lehetséges elrendezés az elektromágneses ellenállás mérésére

 Egy lehetséges mérési elrendezést a 3. ábra mutat be, melyben mindkét tekercs vízszintes. Az elsődleges mágneses tér erővonalait szaggatott vékony vonallal, az örvényáramok keltette másodlagos mágneses tér erővonalait vastagabb szaggatott vonallal ábrázoltuk. A tekercsek távolsága néhány méter.

 A frekvencia változtatásával és kisebb mértékben a tekercsek magasságának módosításával néhány kísérlettel beállítható az a mélységtartomány, melynek valódi fajlagos ellenállása a legnagyobb járulékot adja a számított látszólagos fajlagos ellenállására. Vízszintes síkban elhelyezett tekercsek esetén a legnagyobb a felszín közvetlen környezetének hatása és ez a felszíntől mért távolsággal gyorsan csökken. A néhány méter mélységű rétegek fajlagos ellenállása a meghatározott értéket már alig befolyásolja. Vertikálisan elhelyezett tekercseknél a felszíni ellenállás hatása zérus és a maximális hatást általában az 1-2 méter közötti mélységre állítják be. Természetesen az ennél nagyobb mélységű rétegek ellenállása is hat a kapott értékre, csak kisebb mértékben. Nagy előnye a módszernek, hogy elektródákat nem kell a földbe helyezni, emiatt a mérés igen gyors, rövid idő alatt sok ponton mérhetünk és hálózatban mért adatokból könnyen szerkeszthetünk térképet.

Megjegyezzük, hogy indukciós elven működnek a különböző fémkereső eszközök is, de ezek behatolási mélysége olyan kicsiny, hogy csak speciális, felszín közeli fémtárgyak megtalálásában lehetnek hasznosak, régészeti alkalmazásuk erősen korlátozott.

Földradar

Az indukciós szelvényezéshez hasonlóan a földradar is elektromágneses módszer, azonban jóval nagyobb, 100 MHz és 1 GHz közötti frekvenciájú, jól fókuszált elektromágneses hullámokat használ. Ebben a frekvenciatartományban a terjedést a közeg fajlagos ellenállásánál már jóval nagyobb mértékben a dielektromos állandó befolyásolja. Az adó antenna által kibocsátott jelek a különböző dielektromos tulajdonságú rétegek határain nagyobb részben áthaladnak, kisebb részben visszaverődnek. A vevő antenna – számos más hullám mellett – a visszavert jeleket is érzékeli és megfelelő feldolgozással ezeket ki is emelhetjük. Sok egymást követő ponton mérve és egymás mellé felrajzolva a vevőantennából nyert, majd számítógéppel javított jelsorozatot olyan szelvényt kaphatunk, mely a néhány métertől néhányszor tíz méter mélységtartomány változásairól igen részletes képet ad.

 A talajban és a kőzetekben az elektromágneses hullámok energiája gyorsan csökken. A csökkenés mértéke a frekvenciától is függ, emiatt különböző frekvenciájú hullámokkal különböző behatolási mélységű szelvények készíthetők. Mivel a kibocsátott sugárnyaláb keskeny, igen jó felbontóképességű, a finom részleteket is kimutató szelvényeket állíthatunk elő, melyeken a réteghatárok mellett kis kiterjedésű (1-2 méteres) tárgyak vagy épületmaradványok, üregek stb. is láthatóvá tehetők.

 Mindkét antennát földön húzott kis kocsin helyezik el, a műszer digitálisan regisztrálja és grafikusan is megrajzolja a beérező hullámok képét. Ez utóbbit azonban csak előzetes tájékozódásra használják, lényegében ezzel ellenőrzik, hogy a mérés sikeres volt-e. Az egy ponton végzett mérés egyetlen ún. csatornát ad, mely az elektromágneses hullámoknak megfelelő rezgés képe. A rezgést az idő függvényeként regisztráljuk, a mélységet a sebesség ismeretében lehet (később) számítani. Rendszerint vonal mentén mérünk, nagyon sok egymást követő ponton. A végeredmény a sok egymás mellé felrajzolt csatornából álló szelvény, mely bonyolult, soklépéses számítógépes feldolgozás eredménye.

4. ábra. Földradarmérés

 A mérést vázlatosan a 4. ábra mutatja be. Az 5. ábra pedig egy földradar szelvény. A függőleges tengelyen változóként már a számítással kapott mélység szerepel. Az egyes csatornák olyan sűrűn követik egymást, hogy egymástól szinte meg sem különböztethetők. Jól látszik azonban, hol nagyobbak a rezgések amplitúdói. Ezek szinte kirajzolják az elektromágneses hullámokat visszaverő határok mélybeli képét. Amikor visszaverő tárgy mérete kicsiny (pontszerű) a szelvényen az optikából jól ismert diffrakciós görbék jelennek meg. Ezek lefelé – a mélység felé – kinyíló hiperbolák, a hullámok szóródásáért felelős tárgy csúcsuk mélységében helyezkedik el. A földradar szelvények nemcsak egy-két réteghatár követésére, de a méter nagyságrendbe eső, környezetüktől eltérő alakulatok vagy építmény maradványok esetleg tárgyak megtalálására is alkalmas. Ilyenek lehetnek föld alatti járatok, pincék, folyosók, elég nagyméretű csövek, hordók, tartályok stb. Megjegyzendő, hogy amikor túlságosan sok visszaverő felület vagy a hullámokat szóró pont van, a kép értelmezhetetlenné válhat.

5. ábra. Számítógéppel földolgozott földradarszelvény