Geofyzika v Archeologii. Stručné výklady k obrázkům přednášky pro FEL - ČVUT. A. Majer, Volyně 62, 38701.
001. Vlevo: Nedestruktivní archeologie je soubor metod, využívajících poznatků přírodních a technických věd (geodesie, geofyzika, geochemie, geobotanika, matematické modelování a pod.) k průzkumu mělkého podzemí, aniž by se k tomu musely provádět klasické drahé výkopové práce a nejinak drahé vyhodnocování těchto prací. Archeologická naleziště nejsou totiž
nevyčerpatelná a obsahují i cenné informace, které současný stav vědeckého pokroku nedokáže soudobými postupy zcela vytěžit. Prokopáním lokalita zmizí z povrchu a pokud se později najdou dokonalejší prostředky výzkumu, nelze je již použít. Takovým prostředkem dneška jsou např. pokroky v molekulární genetice, geomagnetismu a dalších oborech, o jejichž možnostech neměly starší generace ani tušení - a i kdyby měli, patrně by ani nedokázali odebrat příslušné vzorky tak, aby vyhověly požadavkům nové vědy po stu či dvou stech letech. Proto pokud se nemusí, podle současných zásad se zbytečně nekope a lokalita se ponechává v zemi pro pokročilejší období. Považuje se za vrchol barbarství vykopávat pouze tzv. pohledově krásné věci, neboť takovým kopáním se poškozuje stará situace, která ve své úplnosti bývá často zajímavější, přínosnější a tudíž i krásnější než z ní vytržená krásná věc sama. Ostatně, je to i ze zákona trestné a v naší zemi může archeologické vykopávky provádět jen obborník, který tuto vědu vystudoval. Ovšem věda nesmí ustrnout a proto hledá postupy, které nepoškozují dávnou skutečnost a podávají uspokojivé odpovědi na pokládané otázky. Celá oblast oboru nedestruktivní archeologie je značně široká a dosud neuzavřená. Skýtá možnost vývoje nových technických prostředků a postupů nejenom pro vlastní archeologii (pokud své počínání ovšem nemíní chápat jen jako pouhou aplikaci stávající technologie do služeb pomocné vědy historické, kdy pomocná věda historická je správné a archeologům velmi se nelíbící zařazení jejich vědy), ale i pro jiné obory. Pro Vás jako elektrotechniky jsem vybral Vám odborně blízké oblasti: Nejprve je pojednáno o vzniku pozorovatelných příznaků podzemních anomálií pod zemí, způsobených dávnou lidskou činností. Poté následuje využití základů geomagnetismu, metod geoelektrických, využití vysokofrekvenčních proudů k průzkumu nevodivých prostředí, následuje stručné seznámení s metodou elektromagnetickou a končí se stručně podzemními odrazy ultrakrátkých vln, čili prvopočátačním základem zemního radaru do velmi malých hloubek. Právě tyto hloubky archeologie většinou prozkoumává. V tom se podstatně liší od inženýrské geofyziky a obecné i geologické geofyziky, které se obírají hlubším a hlubokým podzemím. Nedestruktivní archeologie byla u nás zpracována i jako kniha - autor přednášky v ní podrobně zpracoval téma geochemie. Ovšem např. geofyzika a mnohé další postupy jsou presentovány poněkud zploštěle, pohledem poplatným dnešní době, poklonkujícího právě technologiím, jejich přejímání a presentaci výsledku - o principech, teorii a současném stavu pokroku vědeckotechnického pokroku se odtud nelze dozvědět prakticky nic. Ovšem i tak kniha stojí za pozornost, je zde značné množství výsledků řešených případů nedestruktivních výzkumů. Vpravo: Celá metoda začala být rozpracovávána přibližně před 100 lety v návaznosti na rozvoj letectví. Místo vzniku - Anglie. Ta byla zvláště vhodná pro slabé orniční vrstvy, málo proměnlivé geologické podloží a degradovanou půdu. Zjistilo se přímým pozorováním ze vzduchu, že za vhodných podmínek (dozrávající monokulturní rostliny, čerstvě zoraná půda, čerstvý sněhový poprašek, pozorování terénu těsně po východu a před západem Slunce), lze spatřit pozůstatky dávných arch. objektů, dříve pokládaných za věkovitě zmizelých beze stopy a objevitelných pouze výkopem. Vlevo - příklad pravěkého trojitého příkopu. Vpravo - projev zbytků dávné vsi, čili sídliště. Oba snímky jsou z naší země, snímkováním dozrávajícího obilí.
002. Vlevo: Nalezené projevy lze fotografovat a vyhodnotit tzv. kolineární transformací. Pokud v rovině fotografování zachytíme 4 vlícovací body tvořící čtyřúhelník a tytéž body identifikujeme ve snímku, lze uvedeným grafickým postupem libovolný bod obrazu transformovat do situace a obráceně. Vpravo: Bizarní tvary čuníka dle předlohy vlevo dole. Příklad středového promítání mezi obecně k sobě nakloněnými rovinami.
003. Kolineace působí zcela správně pouze mezi přesně rovnými plochami (používala se kdysi např. pro mapování mořského pobřeží). Jinak jsou výsledky jejího použití zatíženy chybou danou křivostí terénu (chybí možnost obnovy úběžníku svislic). Letecké snímky lze však zcela přesně proměřit ze stereodvojic snímků, kdy terén vidíme ve stereoskopu plasticky, měříme současně dvoje snímkové souřadnice a paralaktické úhly (sbíhavost paprsků na tentýž bod z obou
různících se míst fotografování. Vyhodnocovací přístroj: Stereokomparátor, stereoplanigraf, stereometrograf, stereoautograf a další. Nahoře - precisní stereokomparátor Zeiss Jena, měří na snímku na 0,001mm při jeho velikosti až 25 x 25 cm, tomu odpovídá i váha přístroje cca 450 kg. Dole - přístroj podle A. Majera, pro snímky 30 x 30 cm, měří souřadnice na 0,1 mm, paralaxy na 0,01 mm, vhodný pro vyhodnocení záběrů z normálních (opticky nekorigovaných) fotoaparátů. Váha přístroje je i tak značná, 42 kg. Dnes se ve fotoframmetrii prosazuje přímé proměřování obrazových pixelů na digitálních leteckých snímcích a matematické vyhodnocení dané fotogrammetrické úlohy. Ovšem základní problém pořízení přesného digitálního snímku zůstává. Tím je extrémně přesný rastr extrémně velikého detektoru obrazu komory, nutnost extrémně rychle uložit jeho data do paměti tak, aby časovou prodlevou nenastalo zkreslení obrazu vlivem vlastního pohybu letadla a samozřejmostí je i nezkreslující optika komory.
004. Pro vznik tzv. porostního příznaku detekujícího dávný objekt je nutný vhodný typ půdy (ne na všech půdách příznak vznikne), vhodné jsou půdy lehké, degradované a s málem ornice. Rostliny potom mají méně živin a ty které rostou nad arch. objektem, vytahují si je kořínky odtud. Proto vyrostou výše a jsou déle zelené. Jev působí i obráceně. Monokultura rostlin sledovaná spektrofotometrem má určité fáze vývoje spektrální křivky, tento vývoj má časový gradient, viz obr. C. Toho lze využít např. pro spektrozonální fotografování.
005. Nejvýznamnější živiny pro rostliny jako indikátor objektu: Krom vyšší vlhkosti nalezitelné ve většině objektů je to pravěký humus a fosforečné anionty - tyto dva elementy přetrvávají na lokalitách po celá tisíciletí a mohou být chemickými postupy z půdy zpět vylouženy a stanoveny. Obr. vpravo - fosfátové anomálie na hradišti u Stradonic poblíž Berouna. Černé fleky a čáry v obraze jsou porostní příznaky nalezené po více než 20 letech leteckým snímkováním a zakreslené kolineární transformací do plánu území.
006.
V zemi žijí půdní bakterie, žijící z odpadu po lidech a zvířatech. V blízkosti dávných lidských sídel je odpadu pochopitelně více. Existují i typy bakterií, provádějící redukci sloučenin půdních železitých minerálů. Tyto redukové produkty jejich metabolismu vykazují značně zvýšenou magnetickou susceptibilitu oproti výchozí půdě. Zmíněné bakteriologické procesy probíhají při povrchu, ovšem povrchová vrstva zeminy se splavuje deštěm do zahloubenin, kde vznikají magneticky lépe vodivé vrstvy, doklad dávné lidské přítomnosti.
007. Názorný příklad využití magnetické objemové susceptibility: Na mohutném zvrstvení (nárůstu zeminy do výšky) vybrán čtverec 2x2 m a v síti 10 x 10 cm změřena susceptibilita. Data nízkofrekvenčně filtrována pro vyhovující směr sedimentace a zobrazena mapou šedi. Ukazují se 4 rozličná období vzniku souvrství.
008. Magnetická susceptibilita zemin bývá také často zvýšena působením žáru. Vpravo dole je obraz půdy po dávném požáru dřevěné pravěké chaty, vlevo vyhledání skupiny pecí na tavení železa (nejenom dnes, ale i kdysi dávno existovaly emise a spad kolem tzv. průmyslového centra). Nahoře: Měření magn. objemové susceptibility nevodivých prášků, vhodný i pro suché zeminy. Stabilní oscilátor kmitá na přiměřené frekvenci, zde na 80 kHz. Do nitra cívky oscilátoru se zasouvá zkumavka s odměřeným objemem zeminy, např. 10 ml. Změna frekvence se vyhodnocuje, v našem případu pomocí křemenného krystalu na 80 kHz, na boku rezonanční křivky tohoto krystalu. Magn. susceptibilita většiny zemin bývá řádu 10 exp -4 soustavy SI, proto i změny frekvence oscilátoru jsou velice malé.
009. Krom magnetické susceptibility, která způsobuje vzrůst indukované magnetizace nad pozměněnou zeminou, působí ve většině zemin i vlastní remanentní magnetizace. Kameny i maličká zrnéčka zemin působí svými elementárními magnetickými momenty jako magnetické dipóly. Drobná zrnéčka půdy jsou schopna se při sedimentaci přibližně natočit (ne zcela přesně) do směru magnetického pole Země pod úhly magn. deklinace i inklinace a vektorově se sečíst s magnetizací indukovanou Zemí.Tím nastane značné zesílení magn. anomálie objektu. U nás převládá svislá složka geomagn. pole nad vodorovnou, jak ukazuje pohled na inklinatorium dole vlevo. Proto i zeminy odebrané v neporušeném bloku mají vysokou svislou složku magnetizace, převládající nad vodorovnými složkami, pokud naposledy přirozeně sedimentovaly. Důsledek: Lze tak například identifikovat období klidu a lidské přítomnosti i nepřítomnosti na lokalitách (lidé půdu přerývají, obracejí a pod, ruší tím uspořádání magn. dipólú a taková půda se jeví jako půda s nižší remanencí, po opuštění lokality se vše zasedimentuje a remanence vrstev je opět vyšší).
010. Ve vypálené hlíně, v mazanicích, v hliněných nádobách a obecně v keramice prošlé teplotami nad Curieův bod dojde při poklesu teploty pod tento bod po předchozím odmagnetování k přesné orientaci magn. dipólů hmoty ve směru působení siločar zemského pole. Magnetuje se zemským polem daných parametrů. Je tudíž zachována jak deklinace, tak inklinace a pokud takový předmět leží nepohnutě od doby vypálení, mohou být tyto důležité úhly zpětně zjištěny a
stanoveno tím stáří. V určitém poměru se zakonzervuje i geomagnetická intenzita dávného magn. pole a tato může být zpětně vyšetřena pro určení stáří.
011. Příklad měření remanentní magnetizace zemin na půdním profilu. Vyříznou se krychle min. 6x6x6 cm, orientované k severu a vodorovně. Na vrchní stěně krychlí se vyznačí šipka k severu, do boční stěny se hřebíkem vyryje číslo. Nyní musíme se vzorky zacházet opatrně, abychom je nedopatžením nepřemagnetovali (např. otřesem, cizími magnety, proudem a pod). Potom se v laboratoři astatickým magnetometrem stanoví magnetizace v osách X - k severu, Y - východ západ, Z - svisle. Vypočítá se deklinace a inklinace. Pokud se příliš neliší od historických dat, je zemina sedimentována. Podobně se postupuje u remanence a magn. momentu, zmíněného pod č.008.
012. Datovací magnetické křivky. Vlevo přímá měření magn. deklinace a inklinace pro Londýn, Paříž a Řím, započatá v polovině 16. stol. Vpravo nahoře - změny geomagn.intensity pro naší republiku dle akademika V. Buchy, vyšetřované nepřímo až do starého pravěku. Křivka se užívá k datování. Přímé měření intensity geomagn. pole je poměrně mladou záležitostí, započal ji měřit Gauss a Weber kolem r. 1820. Dole vpravo - pohyby deklinace a inklinace ze Skandinávie, vyšetřené nepřímo na arch. lokalitách.
013. Příklad datování s použitím magnetické deklinace: Ve Švédsku nalezeno (cosi) in situ vypáleného. Naměřena v tom východní deklinace 10 - 20 stupňů, tomu dle tamější křivky odpovídá rok vypálení 1264 s chybou cca 20 let. Toto datování je v určitých obdobích značně přesné, jindy ale zcela nepoužitelné, pokud jde o vodorovné úseky křivky).
014.
Klasické přístroje geomagn. observatoří: Vlevo inklinatorium, magnetický teodolit, Weberova deska a zemský induktor , poslední dva slouží k určení inklinace. Dole tangentová a sinusová buzola k měření vodorovné intensity pole - kdysi jediné spolehlivě měřitelné složky pole. Vpravo princip astatického magnetometru, boční Gaussova poloha pro laboratorní měření vzorku, dole princip rotačního magnetometru na vzorky.
015.
Přístroje pro polní měření magn. indulce, ve svém vývojovém sledu: Magnetická polní váha Z k měření svislé složky pole, vedle křemenný horizontální magnetometr Dan la Courův pro složku vodorovnou H. Pod nimi magnetometr fluxgate, ten měří v nasměrované orientaci čidla. Níže protonový magnetometr pro totální vektor T, princip Larmorovy precese a čidlo magnetometru. Dole vlevo opticky čerpaný magnetometr, vpravo vysokofrekvenčně buzený magnetometr Overhauzenův (spojitě pracující magnetometr protonový). Oba poslední měří totální vektor pole. S vyjímkou přístroje QHM Dan la Courova byly a lze v archeologické prospekci používat všechny.
016. Měření vodorovné složky zem. magn. pole magnetickým teodolitem ve svém hrubém principu: Vlevo postup podle Gausse, dnes nepoužívaný pro nižší přesnost v určení konstant přístroje, jde o metodu výchylkovou. Uprostřed postup Lamontův, je to metoda nulová s použitím přesných dělených kruhů. Postup Lamontův má i nevýhodu - není zcela universální, jednou nastavený přístroj nedosahuje plnou přesnost v celosvětovém rozsahu zemské indukce. Teorie přístrojů se liší členy tangens a sinus ve jmenovateli. Jednodušším přístrojům tohoto typu se říká sinusová a tangentová buzola, na místě úchylkového magnetu se často užívá cívek protékaných přesně měřeným proudem. Vpravo magnetický teodolit z observatoře Budkov, měří H složku pole, po zavedení všech složitých oprav je přesnost měření až 1 nT.
017. Dva extrémy: Vlevo Lamontův přístroj (sine galvanometer) obrovských rozměrů, o vysoké přesnosti 0,5 nT, s Helmholtzovými cívkami, sloužícími nejspíše ke kompensaci variací pole během chvilky měření. Vpravo jednoduchá tangentová buzola s velikým kompasem a cívkou protékanou přesně měřeným proudem. Podle zkušenosti autora lze i podobně jednoduchým přístrojem, např. kompasem v Helmh. cívkách a s miliampérmetrem tř.př. 0,2) dosáhnout chybu ve složce H 300 nT. To vyhovuje pro extrémně silné anomálie. Uvedeným konstrukcím je blízký polní magnetometr Kohlrauschův, popsaný v Časopisu matematiky a fysiky LIII, roč. 1924. Není bez zajímavosti, že podobně jednoduché přístroje se svého času vyráběly a používaly i v Rusku pro hledání rudních ložisek.
018. Ke vzniku archeologické magnetické anomálie: Tyto anomálie bývají slabé, typicky řádu desítek nT v nitru objektu, nad objektem naměříme přibližně o řád nižší účinek. Pouze silně propálené objekty a velká železa to o 1 až 2 řády převyšují. Proto je pro archeologickou prospekci nutno používat vysoce přesných magnetometrů. Vlevo: Anomálie objektu má složku indukovanou zemským polem, závislou na kontrastu magn. susceptibility proti okolí. Krom toho má objekt i složky remanentní, ty jsou v optimálním případě shodně orientované s indukovanou magnetizací a podporují vznik měřitelné anomálie (sedimenty). Nemusí tomu ale být vždy, třeba po dávném záhozu objektu nebo hrobu). Po záhozu nastává obecné vektorové skládání složek remanence s indukovanou magnetisací a taková anomálie je slabší. Konečně, obě složky se někdy mohou i vyrušit a měřitelná anomálie nevznikne. Vpravo: K vyloučení krátkodobých variací zemského pole, průmyslových poruch a hlubších geologických těles není vhodné měřit přímo celou hodnotu pole, ale její gradient v optimálně
volené výšce nad terénem. Naměříme potom tzv. čisté gradientové anomálie (s ohledem na inklinaci se preferuje svislý gradient), jejichž tvar závisí právě na místní inklinaci a tvaru objektu. Jsou publikovány v geofyz. literatuře. Tři typické anomálie pro desku, kouli a svislou tyč, viz obr. vlevo. Tvar anomálie závisí na orientaci ke světovým stranám. U nás objekt většinou nalezneme pod kladnou půlvlnou, záporná minima nemají prospekční význam. Na jižní polokouli to je pochopitelně naopak. Dole: Vznik gradientu pole a optimalisace roztažení čidel. Mějme magn. dipól, který v jednotkové vzdálenosti (1m) vyvolá jednotkovou anomálii, tu zde bereme jako modelových 100 %. Účinek dipólu stoupá či klesá s reciprocitou třetí mocniny vzdálenosti. Např. ve 2 m je to již jen 12 %, ve 3 m 4 %, až v 5 m anomálie prakticky vymizí. Proto nemá valnou cenu roztahovat čidla v mělké prospekci více než 1,5 m, neboť při větší distanci již měříme nežádoucí účinky hlubokých geologických těles. Ovšem nesmíme se rovněž spodním čidlem příliš přiblížit k povrchu. Povrch má nejen vysokou, ale i vysoce proměnlivou magn. susceptibilitu (viz 006.). Tím bychom do měření zavedli veliký numerický šum. Optimum činí 30 cm nad terénem pro dolní čidlo a distance čidel 1 - 1,5 m. Také 30 cm nad terénem nutno dodržovat značně přesně, aby nevznikaly další chyby.
019. První protonový magnetometr sestrojený autorem r. 1984, vedle naše soudobá aparatura: Dva přístroje PM2 Geofyzika Brno, zapojené jako gradientometr. Čidla jsou vezena na nemagnetickém podvozku a v dostatečné vzdálenosti od elektroniky (ta ovlivňuje svými proudy měřené pole). Min. vzdálenost pro využití plné citlivosti gradientometru je 2,5 m.
020. Prospekce na veliké rušivé těleso v zemi - na sestřelené fašistické letadlo. Celková váha letadla byla asi 1 tuna, mnoho centů feromagnetik. Němci je podle pamětníků nevytahli ze země celé. Prři gradientometrickém uspořádání podle obr. 019. vpravo jsme nalezli anomáli asi 350 nT se záporným minimem k severu (čárkované izolinie). Tvar anomálie vyhovuje šikmo uloženému tělesu.
021. Jak je letadlo hluboko? Tento problém je řešitelný dvěma způsoby: 1. Z šířky kladné anomálie v polovině její výšky ve směru východ - západ. Takto obdržíme přibližně 5,5 m hloubky. Ovšem anomálie není zcela hladká a letadlo také není maličký magn. dipól na němž teorie staví, vzniká tak chyba. 2. Graficko - početním postupem podle A. Majera. Z měřené indukce vyvolané magnetickým momentem neznámé hodnoty, kterýžto moment vyvolává v neznámé vzdálenosti známou indukci. V semilogaritmickém diagramu známé dipólové momenty vyvolají vždy účinky v indukci podle obr. vlevo - vyjádřeno tak soustavu rovnoběžek, kdy parametrem je magn. moment, ať vzat relativně či absolutně. Zde vzat relativní moment k = 2m. Dle obr. vpravo nad středem kladné anomálie dle obr. 020 změřeno v poli ubývání magn. účinku s výškou. V semilogaritmickém měřítku je ubývání zobrazeno křivkou h = 0, tedy jako by hledaný dipól ležel těsně v povrchu. Správnost předpokladu není splněna na prvý pohled, proto naši křivku přepočteme pro h + 1, h+2, h+3 až h+n metrů a sledujeme, jak se křivá čára narovnává a její sklon se blíží teoretickým křivkám z levého diagramu. Křivky obkreslíme na průsvitku a pokračujeme podle obr. 022.
022. Průsvitkou posouváme rovnoběžně po teoretických křivkách, až nalezneme tu naši přepočítanou křivku, která je z valné části rovnoběžná s rovnoběžkami teoretických magn. momentů. Nebo tu optimální graficky dointerpolujeme. Zde vyhovuje naše přepočítaná křivka h+2 metry. Průsvitku vrátíme na obr. 021 vpravo, aproximujeme přímkou a zakreslíme diferenční semilogaritmický trojúhelník úbytku pole s výškou, např 2 m ve výškách a 210 nT v indukci. Může být voleno i jinak. Vrátíme průsvitku nad teoretické křivky a hledáme optimální přimknutí našeho trojúhelníku diferencí jak k výškám v metrech, tak k indukcím v nT, při současném zachování rovnoběžnosti parametrické čáry magn. momentu. Zakřivenou část naší aproximované čáry neuvažujeme, je to oblast nedipólového, čili velmi blízkého účinku hledaného tělesa vlivem jeho konečné délky. Takto nalezena konstanta k = 7500 pro magn. moment, volená diferenční distance délek 2 m ztotožněna mezi 3 a 5 m, tomu odpovídající diference indukcí 210 nT leží mezi 50 až 260 nT. Výsledek říká, že 1 m od hledaného tělesa bychom naměřili anomálii 7500 nT (brali jsme relativně konstantu k= 2x magn. moment relativní = 7500), to děleno třetí mocninou jedné = 7500. Od této hodnoty a vzdálenosti vypočítáme indukce zpět až nad povdch a porovnáme s přímým měřením úbytku indukce. Naše měření dalo hloubku tělesa 2,2 m pod povrchem, což se oproti interpretaci z šířky anomálie 5,5 m velmi liší. Ovšem nově přepočítané indukce dle tabulky v obr. 022 jsou v pozoruhodné shodě s naměřenými. Kde je tedy chyba? Patrně nikde, protože právě jsme řešili rozdílnými cestami obrácenou geofyzikální úlohu, kdy jeden výsledek měření může být zapříčiněn nekonečně mnoha různícími se příčinami. Je to opak přímé úlohy, kterou jsme brali za předpoklad svého řešení a která říká: Jedna i více známých příčin způsobuje vždy jednoznačný výsledek. Zde určitě neznámou zůstala
konečná velikost a magnetická nehomogenita letadla, ne jeho zcela přesné dipólové působení a nemožnost zavedení redukčního faktoru na tvar, na demagnetisační faktor atd. Proto vzat průměrný výsledek 5,5 + 2,2 / 2 = 3,85 m. V této hloubce opravdu letadlo také nalezeno.
023. Jsou uvedeny dva příklady magnetometrického mapování pravěkých lokalit. Měřen byl svislý gradient magn. indukce v síti 1 x 1 m. Amplitudy anomálií jsou vesměs nízké, jde o působení nehomogenity zemin. V podobných případech málokdy přesahuje gradient 5 nT na 1,5 m výšky a hlavními zdroji chyb se může stát i nerovný povrch, orba a podobné vlivy, způsobující kolísání výšky dolního čidla nad terénem. Při měření je naším hlavním cílem stanovení půdorysu a polohy objektů. Hloubkové měření se neprovádí, protože anomálie jsou velmi slabé a současně plošně rozlehlé, takže pro ně nevyhovuje výše užité teorii o dipólovém účinku magnetů.
024. Jiný příklad plošné prospekce na zaniklou středověkou osadu s dodnes stojícím kostelem, nově měřením nalezenou tvrzí opevněnou okrouhlým příkopem (přibližně uprostřed nahoře) a starými cestami (úhlopříčné křivé linie).
025. Prospekce na pravěké příkopy ve Velimi u Kutné Hory, objevené leteckým snímkováním. Vlevo příkopy 1 a 2 nalezené na terénu kolineární transformací šikmého leteckého snímku a zakreslené do sítě prospekčních obdélníků 50 x 40 m. Vpravo výsledek magnetometrie. Potvrzen i neznámý půdorys 3. Magnetometrie vidí pod zem nepoměrně lépe než letecká prospekce, má ale i svá omezení - zde např. silné zarušení slabého projevu příkopů plynovodem 4 a skalním výchozem 5, s letecky předvídanou poruchou 6.
026. Další důležitou prospekční metodou v archeologii je elektrická odporová metoda. Využívá se rozdílných vodivostí hornin, ale zejména v nich obsažených a na ionty disociovaných elektrolytů. Elektrolyty mají spolu s vlhkostí půdy hlavní vliv na výsledek měření. Měří se zdánlivý měrný elektrický odpor půdy pro zvolené elektrodové uspořádání. Proto se hovoří o zdánlivém odporu, že je dán uspořádáním elektrod v ne zcela isotropním prostředí. Název nesouvisí s významy činný jalový a zdánlivý, jak je známe z elektrotechniky střídavých proudů, nejedná se o obdobu impedance. Vyjadřuje se v ohmmetrech a počítá se podle Ohmova zákona násobeného konstantou uspořádání. Konstanta liniových uspořádání se počítá z odstupů mezi
elektrodami A,M,N,B podle uvedeného vzorce. Nejčastěji se užívají uspořádání symetrická, Wennerovo uspořádání s pravidelným rozestupem a Schlumbergerovo uspořádání, kdy AB je značně vyšší než MN. Prvé se též nazývá nazývá uspořádání potenciálové, druhé gradientové. To podle charakteru napětí, snímaného na MN. Při Wennerově uspořádání uvažujeme hloubkový průnik rovný distanci MN a měření vztahujeme k tomuto středu. U Schlumbergerova uspořádání je průnik polovina AB, vztahuje se ke středu MN. Aparaturu pro měření lze sestavit velice snadno. Elektrody se používají mosazné 8 až 10 mm silné, mají se zarážet do hloubky max.5% distance, aby nevznikala chyba z nebodovosti. Krátká uspořádání, např. s odstupem 0,5 m je vhodné montovat na pevném rámu na způsob vidličky. Od přseného rozestupu elektrod se totiž odvíjí i přesnost měření. Proudový okruh - baterie 20 - 45 V z plochých baterií nebo motorgenerátor (telefonní induktor poháněný stěračovým motorkem), reostat pro regulaci proudu a vypínač. Je vhodné, měřit při konstantním proudu v obvodu AB. Milivoltmetr mezi MN musí mít vysoký vstupní odpor, aby nenastaly ztráty napětí přechodovými odpory na MN. Při stejnosměrných měřeních se ve starších dobách napětí měřilo technickými kompenzátory s citlivým galvanometrem - nulovým indikátorem. Aby nerušila polarizace elektrod MN, (odstranitelná dalším kompenzačním obvodem), bývala celá soustava AMNB doplněna tzv. dekompozitorem - rotačním měničem stejnosměrného napájení AB na střídavé a synchronním usměrněním napětí na MN zpět na stejnosměrné. Dekompozitor zaručoval necitlivost aparatury na bludné proudy jak stejnosměrné, tak střídavé. Používal se hlavně při velkých roztečích elektrod, kdy se bludné proudy mohou rušivě uplatnit. Popsaná soustava má dnes již historický význam. Pro malé rozestupy elektrod lze na MN měřit běžnými multimetry, jejichž vstupní odpor je alespoň 10 M ohm. a rozlišení 0,1 mV, to jak při stejnosměrném, tak při střídavém provozu. Existují i měřiče odporu uzemnění pro silnoproudou elektrotechniku, použitelné k měření zdánlivého měrného odporu půdy. Např. PU183 Metra Blansko. Měří střídavým proudem se synchronní detekcí na MN, indikuje digitálně a má kontrolu správné činnosti (dostatečný proud v AB, indikace bludných proudů na MN). Poměry pod elektrodami lze modelovat v elektrolytické vaně a tak optimalisovat roztažení elektrod pro předpokládané rozměry hledaného tělesa. Tzv. mělká elektrolytická vana spolu se souřadnicovým zapisovačem jsou na obrázku dole. Odporová měření mívají proti magnetometrii obecně nižší rozlišovací schopnost, neplatí to však vždy a ve všech případech. Jinou nevýhodou metody je, že vodivost půdy během roku kolísá ve značném rozsahu. Přesná měření trvající více dní musí být vztažena k referenčním bodům a přepočítána na variace vodivosti na těchto bodech. Pokud jde o chyby měření, při krátkých uspořádáních je jejím hlavním zdrojem zejména nehomogenita nejbližšího okolí elektrod a tím způsobená změna konstanty uspořádání. Zcela normální je chyba 5% při dvojím zaražení.
027.
Modelování v elektrolytické vaně. Těleso (model) se pohybuje v různých hloubkách pod elektrodami ve vodě, jejíž vodivost jsme zvýšili solí a udržujeme konstantní proud na elektrodách AB. Zapisovač na MN kreslí odezvu modelu v mV. Zde měřeno pro nesymetrické uspořádání s elektrodou B v nekonečnu. Vidíme, že odezva metody je vynikající pro tělesa ležící mělko pod povrchem, se zvětšující se hloubkou modelu značně klesá. Aby bylo těleso spolehlivě detekovatelné, nemá jeho hloubka uložení přesahovat vlastní výšku a současně musí být zaručeno, že rozestup elektrod je souměřitelný se šířkou tělesa a je volen i správný hloubkový průnik. Je to řešení nerovnice o více prvcích. Pokud podmínky nerovnice nejsou splněny, hledané těleso zaniká v šumu hodnot na reálném pozadí. To je i jeden z důvodů, proč velmi malá tělesa nelze touto netodou vůbec detekovat.
028. Příklad úspěšných el. odporových měření: Vlevo Bujanov, vyhledání zbořené části budovy koněspřežní železnice Č. Budějovice - Linec, navazující na zachovanou část stanice. Vpravo Sepekov u Písku - nalezení uzávěru kostela s opěráky. Kostel pobořen za Josefa II a přestavěn na domkařskou kolonii uprostřed návsi. Odporovou metodou a přesným geodetickým měřením všech zdí v území se podařilo zpětně určit celý jeho původní půdorys.
029. Polní archeologická prospekce. Útvar v zatravněném poli u Nového Knína, zjištěný z leteckého snímku vlevo. Prohlídkou místa nalezen šišatý kruh se zelenější a nápadně vyšší travou. Tento zakreslen a položena nad ním prospekční síť 20 x 20 m. Změřena i výška trávy v cm, viz čísla v plánu. Ovlivnění vzrůstu rostlin novodobým vyhnojením bylo vyloučeno chemickou analysou zeminy. Kruh tedy patrně detekuje cosi starého, je to nejspíše příkop kolem významného hrobu nebo kolem mohyly, která byla později rozorána.
030. Prostor 20 x 25 m podle obrázku proměřen Wennerovým uspořádáním pro hloubkový průnik 0,5 m. S ohledem na relativní gracilitu útvaru měřeno s krokem 0,5 x 0,5 m. Nahoře - mapa přímo měřených měrných odporů - byla detekována mělká podzemní šišatá anomálie, k vegetačnímu příznaku se významně přimykající. Zvýraznění anomálie lze provédst vhodnou filtrací dat. Zde uvedená plošná matice naměřených hodnot 15x po sobě nízkofrekvenčně filtrována okénkem 3 x 3 body, čímž projev úzkého kruhu téměř vymizel a vyfiltrováno tak do hladka pozadí jako referenční vztažná křivá plocha. Od takto filtrovaného pozadí odečteno vlastní měření, čímž vznikla mapa čistých místních anomálií, oproštěných od vlivu pozadí. Nové anomálie mají amplitudy do kladné i záporné oblasti při současně zúžených limitách krajních hodnot. Tím značně stouplo rozlišení drobných detailů, které bychom v nefiltrovaných datech (horní obrázek) nikdy neobjevili, i když jsou zde nepochybně obsaženy. Místo je po tomto měření perspektivní pro průzkum další metodou (např. magnetometrickou) a pro vyslovení závěru, oč jde.
031. Magnetickou prospekci většinou nelze provádět v budovách, protože vždy obsahují mnoho rušivých želez a navíc nepříznivě působí i vliv stěn. Pro odporová měření železa nevadí, je ale
nutný vodivý kontakt s proměřovaným prostředím. Jak tedy postupovat např. v magneticky zarušeném prostředí, např. v kostele, jehož podlaha je kryta nevodivou kamennou dlažbou? Naskýtá se možnost použití vf. proudů, zaváděných do země kapacitně. Vystačí se pří tom se dvojicí od povrchu izolovaných elektrod, jejíž plochou proud vytéká. Dielektrikem je podlaha a zem pod podlahou. Rozměry elektrod musí být dostatečně velké aby umožnily dostatečný průchod proudu zvolené frekvence a jejich roztažení současně mnohem menší než čtvrtina vlnové délky použité frekvence, abychom nevytvořili obdobu čtvrtvlnného vodivého izolátoru. Měříme střídavou impedanci sestavy. Nutno brát v úvahu, že vf. pole kondenzátoru se netvoří jenom v zemi, ale i ve vzduchu nad zemí. Měřit lze např. podle schématu, pod ním je konkrétní příklad aparatury. Dvě izolované elektrody C (smaltované profilované plechy z kuchyňského sporáku) jsou montovány izolovaně na rámu. Je zde vf. voltmetr, vf. miliampérmetr a radiofrekvenční generátor 25 MHz cca 2 W. Důležitá je mechanická tuhost aparatury a rovnost povrchu, na němž měříme. Jde o měření změn impedance obvodu ohmmovou metodou.
032. Jinou vf. variantou pro malé hloubky je autorův tříelektrodový přístroj. Na spodu izolované elektrody doléhají na zem a tvoří rovnostranný trojúhelník o straně 50 a nebo 70 cm, dle požadovaného průniku. Mezi deskami AB se nastavuje konstantní vf. proud, mezi A a M se snímá napětí. Pokud je rozestup elektrod mnohem menší než čtvrtina vlnové délky použité frekvence a prostředí pod elektrodami homogenní, chová se soustava elektrod jako prostorový kapacitní dělič napětí s pevně nastaveným poměrem, jehož ekvivalentní impedanci Z lze z napětí a proudu vypočítat. Pracuje opět na 25 MHz, jako předchozí přístroj. Vlevo je výsledek měření kamenná hrobová komora (tučnější obdélník) v nízké mohyle (šišatý kruh). Vše na skále, vše fakticky bez magnetické odezvy a klasické odporové měření také nepodalo žádný výsledek.
033. Jinou možností je měření velmi malých změn kapacit kondenzátoru na povrchu podlahy. Nutno měřit střídavými vf. proudy dostatečně vysoké frekvence. Ve statickém poli se byť i jen nepatrně vodivá podlaha uplatní podobně jako kovová deska kondenzátoru a elektrické pole pod ni již nepronikne. Pro střídavé proudy se uplatňuje komplexní permitivita prostředí a vlastní elektrická vodivost prostředí co ztráty. Je to v podstatě opět impedanční měření. Prototyp přístroje podle obrázku nahoře je transformátorový můstek, ten indikuje rozvážení měřicího kondenzátoru řádu setin pF po vynulování vnitřním normálem. Měří se výchylkově prosté relativní rozvážení, rozsah stupnice měřidla je několik málo pF. Na obr. dole je uveden příklad kapacitního měření z kostela v Bošilci. Dle zpráv měl být původní kostel kratší. Měřením kapacit opravdu v novější části kostela nalezen příčný pruh doklad základů staré zbořené zdi.
034.
Určité možnosti poskytuje měření změn vyzařovacího odporu dipólu elektrického typu (antény). Je známo, že vf. dipól vysoko nad zemí vykazuje rezonanční vlastnosti a současně jeho impedance činí 73,13 ohm. Pro nás je zajímavý pokles impedance při snižování k vodivé desce, obr. vlevo nahoře - nad ideálně vodivou deskou klesne impedance na nulu. Nad běžnou zemí nulu nenaměříme a dipól mění svou impedanci v jistém rozmezí podle vodivosti vrstvy půdy pod sebou. Tuto lze měřit. Bylo zjištěno, že měření vykonané klasickou el. odporovou metodou a vysokofrekvenčním dipólem, se svým průběhem v podstatných rysech shodují. Využití jevu leží opět v měření pod nevodivé podlahy, ke hledání mělce uložených dutin v zemi a pod. Autor používá půlvlnný dipól na 50 MHz, v novodurové rouře průměru cca 16 cm. Pro úplnost nutno podotknout, že takový dipól na zemi vykazuje i změny své rezonanční frekvence, podle permitivity prostředí. Rezonanční frekvenci lze měřit a vyvozovat z toho další závěr o permitivitě (voda má totiž vysokou permitivitu 80, u půdy se tato mění asi mezi 8 - 15, u velmi vlhkých půd až do 30). Je to dobře ověřitelné např. ssacím měřičem rezonance. Dva příklady měření dpólem jsou na obrázku.
035.
Metoda elektromagnetická: Je použitelná jak k měření magnetické susceptibility podzemí, tak jeho vodivosti. Základ pro měření vodivosti: Vysílací cívka A vyvozuje silné střídavé harmonické magnetické pole, tzv. pole primární. Pokud je umístěna v nevodivém prostoru, v místě B se do vhodně postavené cívky indukuje napětí, které je ve fázi s napětím na cívca A. Toto napětí vypovídá pouze o permeabilitě prostoru a lze jej v B vyrušit, např. kompensací či postavením cívky B kolmo na siločáry. Pokud do účinného prostoru obou cívek vložíme elektricky vodivé těleso, vytvoří v něm primární magnetické pole vířivé proudy. Tyto proudy indukují zpět do prostoru střídavé magnetické pole, fázově však posunuté o 90 stupňů oproti primárnímu poli. Tak se v cívce B indukuje napětí, které je měřítkem vodivosti vloženého tělesa. Pole v místě B má tedy komplexní charakter, kdy imaginární složka vypovídá o vodivosti prostoru. V praxi a nad běžnými půdami je imaginární složka velice maličká, typicky tisícina složky reálné. Imaginární složku je nutno oddělit, zesílit a dále zpracovat. Tyto přístroje obvykle pracují na frekvencích jednotek až desítek kHz. Příklad jednoduchého přístroje tohoto typu je na obr. uprostřed, dole jsou jím detekované podzemní anomálie v klášteře v Kladrubech u Stříbra.
036. Metoda úhlového měření: Výše popsaný princip bezkontaktního měření vodivosti země lze modifikovat do mnoha podob. V metodě úhlového měření se využívá tzv. přechodové zóny, definované parametrem p. Parametr p závisí na frekvenci střídavého magnetického pole vysílaného cívkou do prostoru, na vzdálenosti vysílací a přijímací cívky a na vodivosti půdy. Primární pole vysílací cívky se skládá s polem sekundárním (indukovaným vodivostí země), obě pole se skládají a výsledný sklon siločar v místě příjmu je jednoznačnou funkcí vodivosti země. Blízko vysílací cívky je jev prakticky nepozorovatelný, podobně jako ve velké vzdálenosti. Tyto
oblasti se nazývají blízká a vzdálená zóna. Pokud se parametr p pohybuje v rozmezí asi 1 až 3,3, nastávají velké a snadno měřitelné změny sklonu siločar. Při výpočtu parametru p pozor na chybný vzorec, občas uvedený v literatuře - vede ke zcela nefunkčním konstrukcím přístrojů. Jsou uvedena dvě řešení aparatury pro představu o frekvencích, na nichž nutno měřit.
037.
Magnetickou susceptibilitu terénu lze principielně měřit tímto způsobem, pokud významnou roli nehraje vodivost a její proměnlivost. Pokud není podmínka nevodivosti splněna, indukuje se v místě přijímací cívky ještě imaginární složka napětí, kterou je nutno odstranit. Konstrukce i malé aparatury uvedeným způsobem je velice náročné na tuhost sestavy cívek a vyžaduje i vysokou přesnost měření napětí.
038. Nahoře: Použití kombinace dipólového elektromagnetického profilování a infračerveného měření teploty k vyhledání hrobky překryté novodobou teracotovou podlahou, v kostele vsi Jedlka. Pod profily je řez objevenou hrobkou po jejím navrtání a proměření televizní sondou. Dole: Použitý elektromagnetický přístroj DIKO (dipólový konduktometr), konstruovaný doc. ing. Záhorou v bývalé Geofyzice Brno. Je to konduktometr typu ZZ (cívky v koncích roury stojí svisle 4 m od sebe), elektronické obvody separují imaginární složku napětí indukovaných v přijímací cívce a vyhodnocují ji jako vodivost. Přístroj pracuje na frekvenci cca 20 kHz a používá se pro průzkum hlubších partií podzemí.
039. Základy podzemního radaru: Nahoře - jednoduchý přístroj pro sledování odrazu ultrakrátkých vln v zemi. Konstrukce podle autora. Ve dvojici válcových parabol jsou dva složené dipóly na 525 MHz. Vysílací dipól je buzen oscilátorem s jedním tranzistorem BFR91 se čtrvrtvlnným rezonančním obvodem,
induktivně vázaným s anténou. Přijaté odrazy vln se detekují diodou 33NQ52 přímo na svorkách přijímacího dipólu, vedou na dvojici vysokofrekvenčních tlumivek a blokovací kondenzátor, odtud po druhé filtraci RC filtrem s vysokým odporem (zmenšuje se tím chyba daná přechodem ze symetrického vf. obvodu na asymetrický ss. výstup) na milivoltmetr - multimetr s vysokým vstupním odporem. Dole: Vyhledání hrobky v klášteře Zlatá Koruna u Č. Krumlova, opět překryté novodobou teracotovou podlahou. Anténní systém posouván po podlaze po 0,25 m a měřeny amplitudy odrazu vln v mV. Měření matematicky filtrováno pro zklidmění obrazu. Hrobka leží v oblasti tmavých kontur mapy, měření je jako v předešlém případu kombinováno s infračerveným měřením teploty podlahy (izolinie po 0,05 st.C). Takovýto a podobný přístroj pochopitelně může měřit pouze do malé hloubky asi 1 m a nemůže se plně rovnat úplným radarovým aparaturám. Má však nespornou výhodu - nemá tzv. mrtvou oblast pod anténami, která u přístrojů vyhodnocujících transitní časy často dosahuje i 0,5 m hloubky. Pro držitele tohoto textu ať v tištěné či elektronické podobě: Jedná se o stručné seznámení s problematikou geofyziky mělkých vrstev pro negeofyziky a pro případné zájemce o tento obor. Neklade si nároky na úplnost a úplnou teorii předložených metod, hlubší poznatky musí zájemci čerpat z literatury Užité geofyziky. Přednáška a text má inspirovat zájemce ke konstruktérské činnosti a ukazovat, co měřit dnešními prostředky lze a jak. Na 39 stránkách obrazové přílohy je uvedeno více než 100 obrázků, které mohou napomoci k dalším konstrukcím a podobným nebo lepším měřením. Autorem obrázků je A. Majer s vyjímkou 001 (Kuna a kol.), 012, 013, 014, 015 (kompiláty z různé archeologické a geof. literatury), 016 vpravo (prof. ing. P. Ripka), 017 (jakýsi cizí naučný slovník a internet), 020 vlevo (neznámý autor zachycyjící sestřeleného letce). Obrázky A. Majera mohou být volně používány a kopírovány, podobně jako celý doprovodný text k nim. Uživatel ale nesmí v souvislosti s tím autora kritizovat, provádět své vlastní změny v textu i přílohách a dále takové úpravy šířit, odborně či jinak kohokoli napadat, nebo čehokoli používat ke snižování vážnosti jiných geofyzikálních badatelů a jejich prací. Závěrem upozornění: Nedestruktivní archeologický průzkum může v naší zemi provádět každý. Tím je naše právo značně liberální. Jsou totiž státy (i v Evropě), kde tomu tak není a osoby bez příslušného oprávnění mohou být za podobnou činnost v zahraničí stíhány. Pozor na tuto záludnost práva, před podobným záměrem v cizině je nutno se vždy seznámit s tamější legislativou (týká se to např. i sousedního Rakouska, kde například není dovoleno používat při archeologických výzkumech detektor kovů a pod). U nás nesmí být průzkumem porušován terén a nesmí být takový průzkum ověřován jakýmikoli výkopovými pracemi, aniž by badatel sám byl archeologem. Archeologické výkopy smí provádět pouze oprávněné instituce v zákoně uvedené, nebo osoba která archeologii vystudovala, získala odbornou praxi, publikovala v odborné literatuře, vlastní své vyhovující nemovité prostory pro ukládání a zpracování nalezeného materiálu a je držitelem oprávnění, vydaného na její jméno. Ve Volyni, 20. 5. 2014. A. Majer.
