Geofysikaaliset menetelmät Arkeologiassa

Transkriptio

1 1 Astrock Oy Arto Julkunen Kaikutie 1, PL Sodankylä Geofysikaaliset menetelmät Arkeologiassa Useimmissa kuvissa viitataan kirjan 'Peltoniemi, Maa- ja kallioperän geofysikaaliset menetelmät, Otakustantamo 1988' viitteisiin. Tämä kirja on myös suositeltava, jos haluaa perehtyä kohtuullisen helppolukuiseen mutta melko kattavaan geofysiikan kirjaan. Lisäksi magneettisen menetelmän mallikuvia on teoksesta 'Aitken, Physics and Archaeology: Interscience, London 1961'. 1. Yleistä Jotta esine tai olio tunnistettavissa, sillä on oltava ominaisuuksia tai rajapintoja, jotka erottavat olion ympäristöstään. Jos esine halutaan löytää esimerkiksi hammasharjalla rapsuttaen ja näköhavaintoon perustuen, on esineellä oltava poikkeavia ominaisuuksia näkyvän valon heijastumisessa/absorptiossa sekä lujuusominaisuuseroja tai rajapintoja ympäristönsä kanssa. Ominaisuuserot voivat olla myös sellaisia, että niitä voidaan havaita sopivilla mittalaitteilla. Joskus voi olla jopa niin, että tarvitaan välttämättä mittalaitetta hammasharjan ja silmien lisäksi tai sijasta. Tällaisia fysikaalisia ominaisuuksia, joita ei voi havaita suoraan silmin tai mekaanisesti, on esim. magneettinen suskeptiivisuus tai sähkön johtavuus. Jos näistä eroavaisuuksista tiedetään tarpeeksi, voidaan puhua geofysikaalisesta tutkimusmenetelmästä. Sovellettu geofysiikka onkin eräänlainen maaperää rikkomaton tutkimusmenetelmä, jonka perustana on ilmiöt, joita voidaan mitata kohdetta ympäröivän aineen läpi tai pinnalta. 2. Eräitä geofysikaalisia ilmiöitä ja menetelmiä Yleisimmin käytettyjä fysikaalisia ominaisuuksia ja niihin liittyviä ilmiöitä, joita geofysiikassa käytetään, ovat 1. magnetoituvuus (magneettinen suskeptiivisuus, kyky magnetoitua ulkoisessa kentässä, menetelmä: magneettinen menetelmä) 2. pysyvä magneettisuus (magneettinen remanenssi, 'jäämä', menetelmä: magneettinen menetelmä) 3. sähkön johtokyky (galvaaninen johtavuus, menetelmä: sähköinen menetelmä) 4. sähkön varauskyky (indusoitu polarisaatio, menetelmä: IP-menetelmä) 5. aineen sähköinen dielektrisyys, joka tulee esille suurilla sähkömagneettikenttien taajuuksilla (ns. siirrosvirrat, menetelmä: maatutkamenetelmä) 6. aineen kimmo-ominaisuudet (ääniaallon eteneminen, menetelmä: seismiset menetelmät) 7. aineen tiheys (tiheysmittaus, maan vetovoimamittaus, menetelmä: gravimetrinen menetelmä tai radiometrinen tiheyden määritys) 8. luonnollinen gammasäteily (menetelmä: radiometrinen menetelmä).

2 2 Lisäksi tilanteesta riippuen lähes mikä tahansa fysikaalinen ominaisuus saattaa sopivissa olosuhteissa osoittautua hyödylliseksi (lämpötila, kosteus, kovuus, väri ) Edellä mainituista menetelmistä erityisesti magneettisiin ja sähköisiin ominaisuuksiin perustuvat menetelmät ovat olleet Suomessa käyttökelpoisia. Geofysikaalisen menetelmän tehokkuus perustuu tutkittavan kohteen poikkeaviin fysikaalisiin ominaisuuksiin ympäristöönsä verrattuna. Niinpä joko kohteen ominaisuuden on oltava hyvin poikkeava (esim. rautakuona magneettisella menetelmällä) tai ympäristön on oltava hyvin tasalaatuinen (esim. melko homogeeninen hiekkamaa tulisijojen paikan määrityksissä, jossa tulisijan magneettinen remanenssi on erottunut selvästi, kuva 2.), jotta poikkeavuuden voisi huomata. Seuraavassa esitellään lyhyesti edellä lueteltuja menetelmiä ja kuvaillaan mahdollisia käyttökohteita ja tilanteita, joissa kyseinen menetelmä voisi olla hyödyllinen. Magnetoituvuus (magneettinen suskeptiivisuus)(1.) eli kyky muuttua itse magneettiseksi, mitataan käytännössä mittaamalla paikallisia muutoksia maan magneettikentässä. Kuva 1. Maan standardi magneettikenttä IGRF (*1) Samalla mittausmenetelmällä voidaan mitata (eikä voida käytännössä helposti erottaa) myös (2.) magneettisesta remanenssista aiheutunut muutos maan magneettikenttään. Arkeologisissa tutkimuskohteissa nimenomaan remanentti magnetismi on osoittautunut käyttökelpoiseksi. Remanenttia magnetismia syntyy mm. tulisijojen kiviin, kun niitä on kuumennettu muinoin maan magneettikentässä

3 3 lajittuneeseen irtomaahan, jossa jyväset ovat asettuneet laskeutuessaan vedessä enimmäkseen ulkoisen magneettikentän mukaisesti rautayhdisteiden syntyessä paikan päällä irtomaassa (punamulta). Kuva 2. Esimerkkejä arkeologisten kohteiden aiheuttamista vaikutuksista maan magneettikenttään päiväntasaajan tuntumassa (vaakasuora kenttä) ja pohjoisella pallonpuoliskolla. Lähes alaspäin osoittava nuoli kuvaa magneettikentän suuntaa lähinnä suunnilleen kuten Suomessa. (Aitken) Remanentin magnetismin käyttö tutkimuksissa voi olla suoraa tai epäsuoraa (kirjoittajan oma jaottelu). Suorassa käytössä mitataan esim. tulisijoihin jääneen remanenssin aiheuttamia muutoksia maan magneettikenttään. Epäsuoraa hyödyntämistä on vaikkapa maaperän alkuperäiseen, yleensä järjestäytyneeseen, rakenteeseen syntyneet muutokset (esim. hauta tai muu kaivanto), jotka havaitaan käytännössä muutoksina magneettikentässä. Jos siis lajittuneeseen maahan, jonka keerrostumissa on remanenssia, tehdään kuoppa ja täytetään se, sekoittunut maa sekoittaa myös remanenssin vaatiman osasten järjestäytymisen ja erottuu näin ympäristöstään 'ei-remanenssina'.

4 4 Kuva 3. Magneettinen gradienttimittaus. Ote Kankaanpään Pispan tutkimuskohteesta. Kuvassa näkyy pyöreähköinä anomalioina peltoon hautautuneita tulisijoja. Ruudun koko on 10m. Sähkön johtokyky (2.) riippuu maaperässä maan koostumuksesta, rakenteesta, ja kosteudesta. Johtavuuseroja syntyy mm. seuraavissa tilanteissa: johtavassa maassa eristeistä materiaalia (esim. Hämeenlinnan Varikkoniemi, isoja kiviä johtavassa rantamaassa, kuva 3.), johtava kohde eristeisessä ympäristössä (esim. kosteampi alue maaperässä, kuten ympäristöään humuspitoisempaa maata hiekkaisessa ympäristössä). Alla olevassa taulukossa on joitakin maa- ja kivilajien tyypillisiä sähkönjohtavuuksia. Kuva 4. Ominaisvastusluotauksen käsinpiirretty ns. pseudosektioesitys, jossa keskellä näkyy ympäristöään (kostea rantamaa) huonommin johtava kivinen satamarakennelma (Hämeenlinna, Varikkoniemi).

5 5 Sähkön varauskyky (4.) on mahdollinen mutta jokseenkin tutkimaton menetelmä arkeologiassa. Menetelmän nimi on indusoitu polarisaatio (IP). Menetelmä voisi tulla kyseeseen, jos tutkittavassa kohteessa esiintyy metallista johtavuutta pieninä määrinä hiukkasmaisesti ja ympärillä on kosteutta tai vettä. Tällainen asetelma ei välttämättä erotu hyvin ominaisvastuksen perusteella, mutta IP-efekti voi muuttua paljonkin. Aineen sähköinen dielektrisyys (5.) on ominaisuus, jonka vaikutus on vallitseva maatutkamenetelmässä. Käytännössä dielektrisyys (sähköinen polaroituvuus) vaikuttaa tutkasäteen nopeuteen väliaineessa. Säde heijastuu tai taittuu rajapinnoilla, joissa dielektrisyysvakio muuttuu. Maaperässä tärkein dielektrisyysvakion arvoon vaikuttava tekijä on vesipitoisuus. Sähköinen johtavuus (kohta 3.) vaikuttaa maatutkasäteen tunkeutuvuuteen. Mitä johtavampi maaperä, sitä nopemmin tutkasäde vaimenee. Kun maatutkan taajuutta kasvatetaan, menetelmän erotuskyky kasvaa ja tunkeutuvuus huononee. Kun tutkitaan enintään 1-2 m syvyydessä olevia kohteita, taajuudet MHz voivat olla sopivia. Kuvassa 5 on esitetty reiässä tehtävän reikätutkaluotauksen periaate.

6 6 Kuva 5. Reikämittauksena tehtävän tutkamittauksen periaate. Lähetin tai vastaanotin voi olla joko maanpinnalla, reiässä tai myös eri reiässä. Kimmo-ominaisuudet (6.) luovat perustan seismisille menetelmille. Pienialaisissa kohteissa menetelmä ei ole kovin käytännöllinen, mutta jos maaperä on liian johtava tutka- ja sähköisille mittauksille eikä magneettisia eroavuuksiakaan liiemmin ole, saattaa seisminen menetelmä tarjota suurten (useita metrejä tai enemmän) kohteiden paikantamiseksi. Pyramideja on paikannettu kuivasta hiekasta tällä menetelmällä. Tärkeimmät kimmoaallon etenemistavat ovat paine-aalto (pressure-wave, P-aalto) sekä leikkaus-aalto (share-wave, Saalto) (kuva 6). Kuva 6. P (a) - ja S-aallon (b) etenemistavat.

7 7 Myös gravimetrisellä menetelmällä (7.) on kyetty paikallistamaan hiekkaan kadonneita hautarakenteita (pyradimeja). Gravimetrinen menetelmä edellyttääkin vielä suurempia tutkittavia kohteita kuin seisminen menetelmä. Tutkittavan kohteen anomaalinen massa on oltava riittävän suuri, jotta sen vaikutus voidaan mitata muutoksena maan vetovoimakentässä. Anomaalinen massa tarkoittaa kohteen tilavuuden ja tiheyseron tulona saatavaa massapoikkeamaa ympäristöstä. Luolat ja onkalot voivat olla myös sopivia tutkimuskohteita gravimetriselle menetelmälle. Kaivostoiminnassa kymmenien metrien dimensioisia entisiä louhoksia on pystytty paikantamaan gavimetrisella tarkkuusmenetelmällä.

8 8 3. Geofysikaalisen tutkimuksen suunnittelu Geofysikaaliselle menetelmälle on tyypillistä epäsuora informaatio, jonka tulkinta on yleisessä tapuksessa monikäsitteistä. Menetelmä tarvitsee tuekseen muuta tietoa, jolla voidaan rajata epätodennäköiset tulkintavaihtoehdot pois. Tulkinnassa on myös ennakkotiedolla ja valistuneella arvauksella merkitystä. Esim. magneettisen menetelmän totaalikenttämittauksen tulos on monikäsitteinen, mutta arvaamalla voi valita oikean tulkinnan (kuva 7). Kuva 7. Magneettisen totaalikenttämittauksen monikäsitteisyys ja tulkintamallin arvaus. Tutkimusmenetelmän vahvuus piilee siinä, tutkittava alue voi olla laaja. Jos tutkimus suunnitellaan riittävän hyvin tukemaan sekä varsinaista kaivausta että jatkossa tehtävää arkeologista tutkimussuunnittelua, voidaan saada paras hyöty geofysikaalisiin tutkimuksiin sijoitetusta rahasta. Kuten monien muidenkin tutkimusmetodien kanssa, pätee geofysikaalisiinkin tutkimuksiin, että liian hätäisesti ja pienellä budjetilla toteutettu tutkimus on usein suoranaista rahojen haaskausta. Usein geofysikaalisen aineiston, erityisesti laajan perusaineiston (esim. magneettinen menetelmä) käyttö on kaksivaiheista: ensimmäisessä vaiheessa käytetään yleisiä taustatietoja tulosten tulkintaan ja tarkentavien menetelmien ohjaamiseen. Toisessa vaiheessa tarkentavien menetelmien (esim. kaivaus) tieto kytketään alkuperäiseen geofysikaaliseen tutlkintaan, jota voidaan tarkentaa ja tehdä jopa aivan uutta tulkintaa. Tässä vaiheessa voidan joskus myös todeta, että tutkimusta voi täydentää jollakin tarkentavalla geofysikaalisella menetelmällä. Esimerkiksi rutiininomaisena kartoitusmenetelmänä nähdään mielenkiintoisia mageneettisia anomalioita, joiden todellista syytä ei aluksi tiedetä. Joitakin anomalioita kaivetaan esiin malliksi, jonka jälkeen voidaan tulkita loput anomaliat. Arkeologista tutkimusta suunnitellessa olisi hyvä ottaa jo alun suunnitteluvaiheessa mukaan geofyysikko, jonka kanssa voidaan arvioida mahdolliset geofysikaalisen menetelmän hyödyt ja tarvittavien tutkimusten laajuudet. Kartoittavat tutkimukset, joista edullisin ja yleiskäyttöisin on magneettinen menetelmä, on syytä tehdä hyvissä ajoin. Näin ainakin alustavia tuloksia voidaan käyttää kaivausten suunnittelussa. On myös huomattava, että kaivaukset vaikuttavat yleensä geofysikaalisten menetelmien mittaustuloksiin ja voivat turmella tulokset kaivausten kohdalla.

9 9 Geofysikaaliset menetelmät ovat oikein käytettynä usein hyvin tehokkaita ja mahdollistavat kiinnostavien alueiden rajaamisen esim. suojeltavaksi myöhempää tarkempaa tutkimusta varten. Vaikka menetelmän tehokkuus auttaisikin usein käyttämään tehokkaasti tutkimuksiin suunnatun budjetin, ovat esim. kaavamaiset työllistämisvelvoitteet toisinaan esteenä tehokkaiden tutkimusmenetelmien hyväksikäytölle.