Authors:	Brengel, Pascal
Title:	Methoden zur Analyse, Interpretation und Modellierung des elektrischen Widerstandes von archäologischen Steinstrukturen
Online publication date:	12-Oct-2015
Year of first publication:	2015
Language:	german
Abstract:	In der Archäologie werden elektrische Widerstandsmessungen routinemäßig zur Prospektion von Fundstellen eingesetzt. Die Methode ist kostengünstig, leicht anwendbar und liefert in den meisten Fällen zuverlässige und leicht zu interpretierende Ergebnisse. Dennoch kann die Methode die archäologischen Strukturen in manchen Fällen nur teilweise oder gar nicht abbilden, wenn die bodenphysikalischen und bodenchemischen Eigenschaften des Bodens und der archäologischen Strukturen dies nicht zulassen. Der spezifische elektrische Widerstand wird durch Parameter wie Wassergehalt, Bodenstruktur, Bodenskelett, Bodentextur, Salinität und Bodentemperatur beeinflusst. Manche dieser Parameter, wie z.B. der Wassergehalt und die Bodentemperatur, unterliegen einer saisonalen Veränderung. Die vorliegende Arbeit untersucht den spezifischen elektrischen Widerstand von archäologischen Steinstrukturen und evaluiert die Möglichkeit, auf Grundlage von Geländemessungen und Laboranalysen archäologische Strukturen und Böden als numerische Modelle darzustellen. Dazu wurde eine Kombination von verschiedenen bodenkundlichen, geoarchäologischen und geophysikalischen Methoden verwendet. Um archäologische Strukturen und Bodenprofile als numerische Widerstandsmodelle darstellen zu können, werden Informationen zur Geometrie der Strukturen und ihren elektrischen Widerstandswerten benötigt. Dabei ist die Qualität der Hintergrundinformationen entscheidend für die Genauigkeit des Widerstandsmodells. Die Geometrie der Widerstandsmodelle basiert auf den Ergebnissen von Rammkernsondierungen und archäologische Ausgrabungen. Die an der Ausbildung des elektrischen Widerstands beteiligten Parameter wurden durch die Analyse von Bodenproben gemessen und ermöglichen durch Pedotransfer-Funktion, wie die Rhoades-Formel, die Abschätzung des spezifischen elektrischen Widerstandes des Feinbodens. Um den Einfluss des Bodenskeletts auf den spezifischen elektrischen Widerstand von Bodenprofilen und archäologischen Strukturen zu berechnen, kamen die Perkolationstheorie und die Effective Medium Theory zum Einsatz. Die Genauigkeit und eventuelle Limitierungen der Methoden wurden im Labor durch experimentelle Widerstandsmessungen an ungestörten Bodenproben und synthetischen Materialien überprüft. Die saisonale Veränderung des Wassergehalts im Boden wurde durch numerische Modelle mit der Software HYDRUS simuliert. Die hydraulischen Modelle wurden auf Grundlage der ermittelten bodenkundlichen und archäologischen Stratigraphie erstellt und verwenden die Daten von lokalen Wetterstationen als Eingangsparameter. Durch die Kombination der HYDRUS-Ergebnisse mit den Pedotransfer-Funktionen konnte der Einfluss dieser saisonalen Veränderung auf die Prospektionsergebnisse von elektrischen Widerstandsmethoden berechnet werden. Die Ergebnisse der Modellierungsprozesse wurden mit den Geländemessungen verglichen. Die beste Übereinstimmung zwischen Modellergebnissen und den Prospektionsergebnissen konnte für die Fallstudie bei Katzenbach festgestellt werden. Bei dieser wurden die Modelle auf Grundlage von archäologischen Grabungsergebnissen und detaillierten bodenkundlichen Analysen erstellt. Weitere Fallstudien zeigen, dass elektrische Widerstandsmodelle eingesetzt werden können, um den Einfluss von ungünstigen Prospektionsbedingungen auf die Ergebnisse der elektrischen Widerstandsmessungen abzuschätzen. Diese Informationen unterstützen die Planung und Anwendung der Methoden im Gelände und ermöglichen eine effektivere Interpretation der Prospektionsergebnisse. Die präsentierten Modellierungsansätze benötigen eine weitere Verifizierung durch den Vergleich der Modellierungsergebnisse mit detailliertem geophysikalischem Gelände-Monitoring von archäologischen Fundstellen. Zusätzlich könnten elektrische Widerstandsmessungen an künstlichen Mauerstrukturen unter kontrollierten Bedingungen zur Überprüfung der Modellierungsprozesse genutzt werden. Electrical resistance measurements are routinely used in archaeological prospection to survey underground structures. The method ist cost effective, easy to undertake and usually produces good results. However, the method sometimes fails to detect archaeological remains or gives only partial detection. The electrical resistivity of soils and archaeological structures is known to be influenced by the physical and chemical properties of soils and archaeological features, such as soil moisture, soil structure, soil skeleton, soil texture, salinity and temperature. Some of these parameters, like moisture content and soil temperature may undergo seasonal variations that can affect prospection results at different times of the year. This thesis explores the resistivity of stone-built structures and how data collected by fieldwork and laboratory analysis can be used to create realistic numerical models of the resistivity of such remains. It considers the value of techniques from soil science, geoarchaology and geophysics that are used to examine the resisitivity of archaeological structures and soils. In order to create resistivity models, information about the geometry and the resistivity values of archaeological structures and the surrounding soil is required. The accuracy of the model depends on the quality of the information that is used to create the model. The stratigraphy of soils and archaeological remains was examined by vibracores and archaeological excavations and served as the basis for the geometry of both hydraulic and resistivity models. The electrical resistivity of soils can be estimated by so-called pedotransfer functions, such as the Rhoades equation, which are based on the empirical relationship between the underlying soil physical, soil chemical properties and the electrical resistivity. Additionally the influence of the insulating soil skeleton on the bulk resistivity of soils and stone built structures was calculated by using the percolation theory and effective medium theory. The accuracy and limits of these methods were tested by experimental resistivity measurements on undisturbed soil samples and synthetic materials. \r\nThe seasonal variation of soil moisture was modelled with the software HYDRUS. All of the hydraulic models used were created from actual soil stratigraphy and archaeological excavation recordings. HYDRUS uses weather data from local weather stations as input. The computed values were used to calculate the effect of changing soil moisture on the results of electrical resistance methods. The outcome of the modelling processes was compared with the field measurements. Eventually the best fit was found for the Katzenbach case study, as the models were based on detailed archaeological and geoarchaeological analysis of the site. Finally this thesis concludes that numerical resistivity models help to understand why electrical resistance methods sometimes fail to detect buried stone-built structures. Therefore the approach helps to guide the use of resistance methods and the interpretation of prospection results. It may be neccessary to further investigate the accuracy of the modelling procedure by comparing the results with detailed geophysical site monitoring. Resistivity measurements on artificial ston-built structures under controlled conditions could be used to more completely verify the modelling approach presented.
DDC:	550 Geowissenschaften 550 Earth sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1265
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-41767
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen