A Miskolci Egyetem Közleményei, A sorozat, Bányászat, 82 . kötet (2011)
A geoelektromos geofizikai módszerek alkalmazási lehetőségei a régészetben Turai Endre egyetemi docens, a műszaki tudomány kandidátusa Miskolci Egyetem, Geofizikai Tanszék
[email protected] A tanulmány a geofizika geoelektromos kutatómódszereinek régészeti alkalmazási lehetőségeit mutatja be röviden. Az eltemetett régészeti objektumok (falmaradványok, utak, csatornák, sírok, fémtárgyak, stb.) elektromos vezetési tulajdonságai mérhetően eltérnek a maradványokat elfedő talajok, kőzetek elektromos vezetési tulajdonságaitól, így a Föld felszínén végzett geoelektromos mérésekkel a régészeti objektumok kimutathatóak. A cikk vázolja az egyes régészeti objektumok és az ezeket elfedő közeg elektromos paramétereinek a viszonyát, s a geoelektromos módszerek régészeti alkalmazhatóságát terepi mérések eredményeinek a bemutatásával támasztja alá.
1. Bevezetés 1969 őszén, elsőéves középiskolás diákként, a Földes Ferenc Gimnáziumban (Miskolc) ismertem meg Dr. Hevesi Attilát. Meghatározó élmény volt számomra, amikor Hevesi Tanár Úr az akkori első földrajz órán történt ismerkedés alkalmával „fejből” azonnal felsorolta szülőfalum (Bükkmogyorósd) patakjainak és dűlőinek neveit. Többek között az Ő szakmai felkészültsége és emberi-tanári tulajdonságai is közrejátszottak abban, hogy természettudományos pályát és oktatói hivatást választottam magamnak. Tisztelt Hevesi Professzor Úr! Isten Éltessen 70. születésnapodon. Tanítványodként, kollégádként, a legnagyobb barátsággal kívánok még számos, alkotóerőben és egészségben megélendő esztendőt. Jelen tanulmányban szűkebb szakterületem, a geofizika geoelektromos kutatómódszereinek a régészeti alkalmazási lehetőségeit szeretném röviden felvillantani. A régészet segítségével tudunk képet alkotni a múlt humánföldrajzi viszonyairól. A természet erői azonban a legtöbb esetben elfedik, betakarják a múlt „földrajzát”, az egykori utakat, épületeket, sírokat, fémtárgyakat, stb. A Föld belsejébe kellene látnunk, hogy a múlt humánföldrajzát rekonstruálni tudjuk. A fizikai terek behatolnak a Föld belsejébe, átjárják azt, illetve a földalatti szerkezetekről visszaverődnek, s így a különböző terek (mágneses, gravitációs, termikus, nukleáris, elektromos, elektromágneses, szeizmikus, stb.) felszíni mérésével un. fizikai paraméterképeket alkothatunk a Föld belsejéről (KEAREY et al. 2002). Ezeken a képeken fellelhetők és lehatárolhatók a keresett régészeti objektumok is. A lehatárolás jelentősen megkönnyíti, és olcsóbbá teszi a régészek
265
A geoelektromos geofizikai módszerek alkalmazási lehetőségei a régészetben
feltáró munkáját. A geofizikai szakirodalom az elektromos és az elektromágneses geofizikai módszereket röviden geoelektromos módszereknek nevezi. Ezen módszerek régészeti célú alkalmazásának hazai bevezetése (CSÓKÁS és szerzőtársai 1977) a Miskolci Egyetem Geofizikai Tanszékének egykori vezetőjéhez, Csókás János Professzor Úrhoz kötődik. 2. A régészeti objektumok geoelektromos anomáliaképei A geoelektromos módszerek számos fizikai paraméter (a mért közeg egyenés váltóáramú fajlagos ellenállása, polarizálhatósága, az elektromágneses térerősségvektor komponensek amplitúdó- és fázis értékei, stb.) mérését teszik lehetővé. Ezek közül a régészeti kutatásokban a leginkább a fajlagos ellenállás és a polarizálhatóság paramétereit használhatjuk fel eredményesen. Vizsgáljuk meg, hogy a fontosabb régészeti objektumok a környezetükhöz képest milyen anomáliaképpel (kisebb - negatív, nagyobb - pozitív) jelennek meg a fajlagos ellenállás és a polarizálhatósági képeken (térképeken). A természetben a kőzetek és a talajok elektromos vezetőképességét a fémes (elektronos) és a fluidumos (disszociált ionos) vezetés okozza. A fémes vezetés esetén az anyag szabad (az atomoktól elszakadt) elektronjai teszik lehetővé a töltésáramlást. Ilyen vezetés alakul ki a fémesen vezető anyagok (fémek, ércek és a grafit) esetében. E miatt a vulkáni kőzetek fajlagos ellenállása jelentősebb érctartalom esetén kis értékű, akár néhány ohmm is lehet. Teléres ércesedést tartalmazó kőzetek esetében az egyenáramú és a váltóáramú (elektromágneses) fajlagos ellenállás egyaránt kicsi. Hintett (porfiros) ércesedést tartalmazó kőzeteknél azonban az ércszemcséket körülvevő szigetelő kőzetmátrix miatt nem alakul ki folyamatos elektromosan vezető csatorna, így ezeknek a kőzeteknek az egyenáramú fajlagos ellenállása nagy, azonban - az elektromágneses indukció miatt - a váltóáramú fajlagos ellenállása a frekvencia növekedésével arányosan csökken. Az üledékes, porózus-permeábilis kőzetekben fluidumos típusú vezetés alakul ki. Ekkor a kőzet pórusait kitöltő fluidum disszociált iontartalma vezeti az elektromos áramot. A porózus-permeábilis kőzetek fajlagos ellenállása tehát a porozitás, a fluidumszaturáció és a fluidum disszociált iontartalmának a növekedésével csökken. A nedves agyagok fajlagos ellenállása a kötött vizük nagy iontartalma miatt szintén kicsi (néhány ohmm). A repedezett tengeri üledékes kőzetek (mészkő és dolomit) és a vulkáni kőzetek fajlagos ellenállásának a csökkenését a repedezettség mértékének, a repedéseket kitöltő víz mennyiségének és a víz disszociált iontartalmának a növekedése okozza. Az ép (nem repedezett) tengeri üledékes kőzetek és az ércesedést nem tartalmazó vulkáni kőzetek fajlagos ellenállása igen nagy (több tízezer ohmm). Az előzőekben leírtakból következik, hogy a mészkőből, dolomitból és vulkáni kőzetekből készített falmaradványok pozitív anomáliaképpel jelennek
266
Turai Endre
meg a geoelektromos mérések fajlagos ellenállás képein, mivel a falmaradványokat beborító üledék fajlagos ellenállása a fluidumos áramvezetés miatt kicsi. Az egyéb (tégla, égetett agyag és döngölt föld) falmaradványok esetében a környezetükhöz képest szintén csak kis mértékű áramvezetés alakul ki, így ezek is pozitív anomáliákkal mutatkoznak meg a fajlagos ellenállásképeken. Az eltemetett utak (földutak, kövezett utak, betonutak és aszfaltos utak) szintén pozitív anomáliaképet adnak, az előzőekben leírt elektromos vezetési tulajdonságaik miatt. A fémből készült csatornák és vezetékek negatív (a környezetükhöz képest kisebb) anomáliaképet mutatnak a kialakuló fémes vezetés miatt. A kőből, betonból, cserépből és kerámiából készült csatornák viszont pozitív fajlagos ellenállás anomáliával azonosíthatók. Az ásott sírgödrök nagy porozitású, sok esetben agyagos üledékkel feltöltöttek, így ezek a környezetükhöz képest jobban vezetik az elektromos áramot, ezáltal negatív anomáliaképet mutatnak. A kövezett sírok, szarkofágok fajlagos ellenállás anomáliaképe viszont pozitív. A csontok szintén pozitív anomáliaképet adnak, azonban ez csak nagy tömegű csonthalom esetén mérhető ki. A fémtárgyak jó vezetők, így negatív anomáliaképpel mutatkoznak. Az elszórt fémpénzek, illetve kisebb fémtárgyak a diszperz ércesedéshez hasonlóan viselkednek, ezek egyenáramú fajlagos ellenállás anomáliaképe pozitív, míg a váltóáramú fajlagos ellenállás anomáliaképe negatív. Az Indukált Polarizációs (IP) terepi mérések esetén a filtrációs, a membrán, a redox és a fémes polarizációk különíthetők el egymástól. A polarizáció típusa filtrációs polarizáció membrán polarizáció redox (elektrokémiai) polarizáció fémes (elektróda) polarizáció
A polarizáció földtani okai Elektromosan vezető fluidumot tartalmazó porózus talajok és kőzetek. Diszperz agyagot és vizet tartalmazó porózus talajok és kőzetek. Oxidatív, vagy reduktív hatású kémiai szennyezések. Fémesem vezető anyagok ionosan vezető fluidumot tartalmazó kőzetekben.
I. táblázat. A polarizáció típusa és a polarizáció földtani okai. Az időállandó értékek eloszlása alapján a polarizáció típusa becsülhető (TURAI, 2004) melyek földtani okait az I. táblázat mutatja. A táblázatból látható, hogy az IP mérések pozitív (a környezethez képest megnövekedett) anomáliái jól korrelálnak a fajlagos ellenállásképek negatív anomáliáival. Az eltemetett
267
A geoelektromos geofizikai módszerek alkalmazási lehetőségei a régészetben
falmaradványok és kövezett utak például negatív IP és pozitív fajlagos ellenállás anomáliaképekkel, míg a fémtárgyak pozitív IP és negatív fajlagos ellenállás anomáliaképekkel jelentkeznek. Az IP méréseket ezért célszerű a fajlagos ellenállásmérésekkel együtt elvégezni, mert a két mérési módszer eredményei megerősíthetik egymást. Figyelembe kell azonban venni az együttes értelmezésnél azt, hogy az IP anomáliák maximumai a felületi elektromos töltésfelhalmozódás miatt (konduktív hatás) a határfelületek felé toldnak el. 3. Terepi mérések eredményeinek a bemutatása A geoelektromos módszerek régészeti célú terepi alkalmazására a következőkben két kutatási területről (Nagyecsed és Kishódos) mutatok be mérési eredményeket. Mindkét területen 2010-ben, a „Patrimonium” projekthez kapcsolódóan történtek a mérések. A geoelektromos mérések inverziós feldolgozásával megkapható a felszín alatti térrész valódi fajlagos ellenállás eloszlása. Ennek az eloszlásnak a 0,75 méteres mélységben felvett képszeletét mutatja a nagyecsedi kutatási területen az 1. ábra.
1. ábra. A fajlagos ellenálláseloszlás horizontális képszelete a nagyecsedi területen
268
Turai Endre
2. ábra. A fajlagos ellenálláseloszlás vertikális képszelete a nagyecsedi területen
3. ábra. A fajlagos ellenálláseloszlás horizontális képszelete a kishódosi területen Az ábrán kék színű vonallal van megjelölve egy feltételezett kolostor falmaradványainak a nyomvonala. A falmaradványok mélységi elhelyezkedése a térbeli fajlagos ellenállás eloszlás vertikális képszeleteinek alapján adható meg. Egy ilyen vertikális képszelet látható a 2. ábrán, melyen a falmaradványok helyeit a sötétvörös színnel jelölt anomáliák mutatják. A 3. ábra a kishódosi kutatási terület mérési eredményeiből kapott térbeli fajlagos ellenállás eloszlás horizontális képszeletét mutatja be. A 0,75 méter mélységben számított képszeleten szintén jól felismerhetőek a kék színű vonallal megjelölt falmaradványok.
269
A geoelektromos geofizikai módszerek alkalmazási lehetőségei a régészetben
4. Köszönetnyilvánítás
A tanulmány a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 jelű projekt részeként – az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében – az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. Irodalom CSÓKÁS J., GÁDOR J., GYULAI Á. 1977: Geofizikai módszerek az archeológiai kutatásban. Herman Ottó Múzeum Évkönyve, 16., 7-33. o. KEAREY, P., BROOKS, M. and HILL, I. 2002: An Introduction to Geophysical Exploration. Blackwell Publishing Company, Oxford TURAI, E. 2004: IP data processing results from using TAU-transformation to determine time-constant spectra. Geophysical Transactions, Vol. 44. No. 3-4., pp. 301-312.
270
