Το Εργαστήριο Γεωφυσικής - Δορυφορικής Τηλεπισκόπησης & Αρχαιοπεριβάλλοντος του Ινστιτούτου Μεσογειακών Σπουδών (Ίδρυμα Τεχνολογίας & Έρευνας) πραγματοποιεί γεωφυσικές διασκοπήσεις αρχαιολογικών χώρων με σκοπό την καθοδήγηση των ανασκαφικών δραστηριοτήτων. Τόσο οι γεωφυσικές διασκοπήσεις όσο και η δορυφορική τηλεπισκόπηση συνεισφέρουν στο έργο της διαχείρισης των αρχαιολογικών μνημείων, την χαρτογράφηση του υπεδάφους των αρχαιολογικών χώρων και την καλύτερη αξιοποίηση του περιβάλλοντος.

Οι γεωφυσικές έρευνες αρχαιολογικών χώρων περιλαμβάνουν μαγνητικές, ηλεκτρικές, σεισμικές και βαρυτικές τεχνικές. Το υπεδάφειο ραντάρ (G.P.R.) και η ηλεκτρική τομογραφία χρησιμοποιούνται σε συγκεκριμένες περιπτώσεις για την κάθετη ανάλυση της στρωματογραφίας του υπεδάφους. Άλλες τεχνικές όπως η μέτρηση της μαγνητικής επιδεκτικότητας του εδάφους, η περιεκτικότητα φωσφόρου, χημικές αναλύσεις κ.α. εφαρμόζονται για τον διαχωρισμό και οριοθέτηση των περιοχών με εργαστηριακή και κτηνοτροφική δραστηριότητα.
Η εφαρμογή των ανωτέρω τεχνικών αποσκοπεί στην χαρτογράφηση του υπεδάφους (σε μικρό βάθος, έως 2-4m από την επιφάνεια του εδάφους κατα περίπτωση και μέθοδο, ενώ άλλες τεχνικές επιτρέπουν την έρευνα σε μεγαλύτερα βάθη).

Παρεχόμενες Υπηρεσίες

• Μικρού βάθους χαρτογράφηση του υπεδάφους των αρχαιολογικών χώρων με σκοπό την καθοδήγηση των ανασκαφικών δραστηριοτήτων, τον εντοπισμό αρχαιολογικών μνημείων και την οριοθέτηση των αρχαιολογικών θέσεων.
• Υπολογισμός του βάθους των αρχαιολογικών μνημείων και των επιπέδων κατοίκησης. Εντοπισμός περιοχών εργαστηριακής δραστηριότητας. Μαγνητικές ιδιότητες του εδάφους και αρχαιολογικών υλικών.
• Επεξεργασία Δορυφορικών Εικόνων & Αεροφωτογραφιών και Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών (G.I.S.) σε σχέση με την εποπτεία και οριοθέτηση αρχαιολογικών χώρων. Προγνωστικά μοντέλα κατοίκησης.
• Κατάστρωση διαχειριστικών σχεδίων δράσης και προγραμματισμού έργων σε ευρύτερους χώρους αρχαιολογικών περιοχών.
• Ψηφιοποίηση εικόνων, τοπογραφικών και γεωλογικών χαρτών, αρχιτεκτονικών σχεδίων, κ.α.
• Ψηφιακά Μοντέλα Εδάφους (DEM). Ηλεκτρονικοί αρχαιολογικοί χάρτες (2- & 3-DIM)
• Περιβαλλοντικές επιπτώσεις σε αρχαιολογικές θέσεις. Ανάδειξη ζωνών προστασίας αρχαιολογικών θέσεων. Αρχαιολογικά και Περιβαλλοντικά Πάρκα.

Σε μεγάλα αναπτυξιακά προγράμματα, οι γεωφυσικές διασκοπήσεις αποτελούν απαραίτητο εργαλείο για την ανάδειξη και τη διαχείριση αρχαιολογικών θέσεων, ενώ η χρήση αεροφωτογραφιών και δορυφορικών τηλεπισκοπικών απεικονίσεων (ψηφιακής μορφής) βοηθάει στον εντοπισμό και την οριοθέτηση περιοχών με πιθανό αρχαιολογικό ενδιαφέρον.

Η χρήση Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (G.I.S.) σε συνδυασμό με τις επιφανειακές αρχαιολογικές έρευνες στοχεύει στην καλύτερη διαχείριση των αρχαιολογικών πληροφοριών σε συνδυασμό με άλλες γεωγραφικά ενταγμένες πληροφορίες ή μετρήσεις.

Προγραμματισμός Ερευνών

Ένα πρόγραμμα γεωφυσικών διασκοπήσεων αποτελείται από το στάδιο εργασιών υπαίθρου (περίπου μίας εβδομάδας για μία έκταση μεγαλύτερη των 5-8 στρεμμάτων) και το στάδιο της επεξεργασίας - ερμηνείας. Στις εργασίες υπαίθρου γίνονται μετρήσεις σε συγκεκριμένες περιοχές που υποδεικνύονται με την συνεργασία του επιβλέποντος φορέα.

Οι δυνατότητες της τεχνικής υποδομής του εργαστηρίου περιλαμβάνουν τη χαρτογραφήση μεγάλων εκτάσεων, με πυκνό δίκτυο δειγματοληψίας. Με τον τρόπο αυτό μπορούν να εντοπισθούν με ακρίβεια κτιριακά λείψανα, τοιχοδομές, φούρνοι, εστίες, δρόμοι, λάκοι, οχυρωματικοί τάφροι, κ.α., να υπολογισθεί το βάθος τους και σε ορισμένες περιπτώσεις να επαληθευτούν τα διαδοχικά στρώματα κατοίκησης. Έτσι, μετά από επεξεργασία των γεωφυσικών μετρήσεων παράγονται γεωφυσικοί χάρτες οι οποίοι βοηθούν το ανασκαφικό έργο, αφού δίνουν συντεταγμένες υποψήφιων υπεδάφειων στόχων αρχαιολογικού ενδιαφέροντος.

Κατά το στάδιο της επεξεργασίας γίνεται η καταχώρηση και επαλήθευση των δεδομένων, η εφαρμογή μαθηματικών φίλτρων, η οριοθέτηση και σχεδίαση των γεωφυσικών καννάβων, τεχνικές χαρτογράφησης, κ.α. Η τελική έκθεση (μέ έγχρωμους χάρτες, συνδυασμό τοπογραφικών και γεωφυσικών δεδομένων, κ.α.) παραδίδεται συνήθως σε διάστημα 3-6 μηνών από το πέρας των εργασιών υπαίθρου (ή ακόμα και πιο σύντομα) ανάλογα με τις εκάστοτε ανάγκες. Σε περίπτωση επείγουσας ανάγκης, μία πρωταρχική επεξεργασία των δεδομένων μπορεί να πραγματοποιηθεί και κατά την διάρκεια των εργασιών υπαίθρου με άμεσα αποτελέσματα όσον αφορά την ερμηνεία των γεωφυσικών μετρήσεων.

Συνεργασίες

Το Eργαστήριο Γεωφυσικής - Δορυφορικής Τηλεπισκόπησης & Αρχαιοπεριβάλλοντος έχει πραγματοποιήσει διάφορα ερευνητικά προγράμματα στην Ελλάδα, την Κύπρο, την Αίγυπτο, την Ουγγαρία, κ.α. προσφέροντας τις υπηρεσίες του σε αρχαιολογικές Εφορείες και πανεπιστημιακά Ιδρύματα. Στα πλαίσια των ερευνητικών προγραμμάτων διεξάγεται επίσης η εκπαίδευση φοιτητών και αρχαιολόγων μέσω διαλέξεων και υπαίθριων μετρήσεων.

Μεθοδολογία

Ηλεκτρικές Μέθοδοι Γεωφυσικής Διασκόπησης

Μία από τις γεωφυσικές τεχνικές που χρησιμοποιείται ευρύτατα στην διασκόπηση και στον εντοπισμό "ρηχών δομών" είναι η ηλεκτρική μέθοδος γεωφυσικής διασκόπησης, η οποία είναι επίσης γνωστή και ως "μέθοδος συνεχούς ρεύματος". Σκοπός της μεθόδου αυτής αποτελεί ο καθορισμός της κατανομής της ηλεκτρικής αντίστασης του υπεδάφους, δηλαδή της γεωηλεκτρικής δομής αυτού, πραγματοποιώντας μετρήσεις στην επιφάνεια της Γης.
Για τον σκοπό αυτό εισάγεται στο υπέδαφος ηλεκτρικό ρεύμα μέσω δύο ηλεκτροδίων και μετριέται η διαφορά δυναμικού που προκαλείται από το εισερχόμενο στο υπέδαφος ρεύμα, σε δύο άλλα ηλεκτρόδια. Η μετρούμενη διαφορά δυναμικού αντικατοπτρίζει την δυσκολία με την οποία το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει στο υπέδαφος, δίνοντας έτσι μία ένδειξη για την ηλεκτρική αντίσταση του εδάφους. Στην εικόνα 1 φαίνεται μία τυπική διάταξη των τεσσάρων ηλεκτροδίων Α, Β (ηλεκτρόδια ρεύματος) και Μ, Ν (ηλεκτρόδια δυναμικού).

Η μέθοδος της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης χρησιμοποιείται ευρύτατα στην Υδρογεωλογία, για τον εντοπισμό υδροφόρων στρωμάτων, στην Τεχνική Γεωλογία για την εύρεση του μητρικού πετρώματος και εγκοίλων και τον καθορισμό των υδραυλικών χαρακτηριστικών του υπεδάφους κ.λ.π., για περιβαλλοντικούς σκοπούς στον προσδιορισμό της ζώνης μόλυνσης σε υδροφόρα στρώματα, στην αναζήτηση γεωθερμικών πεδίων και μεταλλευμάτων και στην αρχαιομετρία.
Η αντίσταση του εδάφους εξαρτάται από μία σειρά παραγόντων όπως είναι οι υδρολογικές - υδρογεωλογικές συνθήκες, η χημική σύσταση του νερού, τα ιόντα που είναι διαλυμένα σε αυτό, το πορώδες των σχηματισμών, οι πιθανές διαρρήξεις και διακλάσεις, η θερμοκρασία και η πίεση, καθώς και οι τοπογραφικές μεταβολές.

Η ειδική αντίσταση εξαρτάται από πολλούς παράγοντες οι οποίοι μεταβάλλονται εύκολα. Δεν αποτελεί χαρακτηριστικό γνώρισμα συγκεκριμένων λιθολογικών τύπων, καθώς η διακύμανση αυτής μπορεί να παρουσιάζει μεγάλο εύρος στον ίδιο λιθολογικό τύπο. Επίσης δύο τελείως διαφορετικοί σχηματισμοί μπορεί να έχουν παρόμοιες ειδικές αντιστάσεις. Για τους λόγους αυτούς η ερμηνεία των μετρήσεων της ειδικής αντίστασης πρέπει να γίνεται με προσοχή και σε συνδυασμό πάντα με τις γεωλογικές πληροφορίες της περιοχής μελέτης (γεωλογικοί χάρτες, γεωτρήσεις).

Η διαδικασία λήψης των μετρήσεων στηρίζεται στην χρησιμοποίηση τεσσάρων ηλεκτροδίων, δύο για την εισαγωγή ρεύματος και δύο για την μέτρηση της διαφοράς δυναμικού, τα οποία εισέρχονται στο έδαφος σε βάθος μερικών εκατοστών (~ 10 cm) και σε αποστάσεις που ποικίλουν από μερικά έως μερικές εκατοντάδες μέτρα.

Επειδή η Γη είναι ανομοιογενής και ανισότροπη η μετρούμενη ηλεκτρική αντίσταση είναι συνάρτηση της γεωηλεκτρικής δομής του υπεδάφους και της γεωμετρικής διάταξης των ηλεκτροδίων. Για τον λόγο αυτό εισάγεται ο όρος της φαινόμενης ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης.

Υπάρχουν πολλοί τρόποι διάταξης των τεσσάρων ηλεκτροδίων στην επιφάνεια του εδάφους, οι οποίοι φαίνονται στην εικόνα 2. Για κάθε προτεινόμενη διάταξη έχουν βρεθεί σχετικά θεωρητικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.

Μέθοδοι Έρευνας

Βυθοσκοπήσεις: Με την εφαρμογή των βυθοσκοπήσεων γίνεται προσπάθεια να ερευνηθεί η κατανομή της ειδικής αντίστασης με το βάθος. Η όλη διαδικασία στηρίζεται στο γεγονός ότι το υπέδαφος θεωρείται ότι έχει οριζόντια στρωματογραφία, δηλαδή αποτελείται από διακριτά, οριζόντια, ομογενή και ισότροπα στρώματα. Στην περίπτωση των βυθοσκοπήσεων χρησιμοποιείται σχεδόν αποκλειστικά η μέθοδος Schlumberger. Κλασσικό πεδίο εφαρμογής της μεθόδου αυτής αποτελεί η έρευνα για τον εντοπισμό υδροφόρων στρωμάτων.

Λαμβάνονται μία σειρά μετρήσεων με συνεχώς αυξανόμενες τις αποστάσεις των ηλεκτροδίων ρεύματος (τα ηλεκτρόδια δυναμικού παραμένουν σταθερά). Με την συνεχή αύξηση των ηλεκτροδίων ρεύματος αυξάνεται και το βάθος διείσδυσης του ρεύματος. Με τον τρόπο αυτό μετριέται η κατακόρυφη κατανομή της ειδικής αντίστασης σε μία στήλη κάτω από το κέντρο της διάταξης.

Οριζοντιογραφίες: Χρησιμοποιούνται για τον εντοπισμό πλευρικών μεταβολών της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης. Αντίθετα με τις βυθοσκοπήσεις, οι αποστάσεις των ηλεκτροδίων παραμένουν σταθερές και οι μετρήσεις λαμβάνονται μετακινώντας πλευρικά την διάταξη των ηλεκτροδίων με σταθερό βήμα. Με τον τρόπο αυτό χαρτογραφούνται μεταβολές της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης σε σταθερό βάθος. Κυρίως χρησιμοποιούνται οι διατάξεις Wenner, Διπόλου - Διπόλου και Πόλου - Διπόλου. Οι οριζοντιογραφίες αποτελούν κλασσικές μεθόδους χαρτογράφησης των αρχαιολογικών θέσεων.

Ειδικότερα στην αρχαιομετρία χρησιμοποιείται η διάταξη του Διπλού Ηλεκτροδίου (Twin Probe Array) λόγω της εύκολης ερμηνείας των δεδομένων, της ταχύτητας κάλυψης του χώρου και της σχετικά καλής χωρικής διακριτικότητας της μεθόδου. Η μέθοδος της διπλής διάταξης χρησιμοποιεί δύο ακίνητα απομακρυσμένα ηλεκτρόδια (ένα για το ρεύμα και ένα για το δυναμικό), που βρίσκονται σε απόσταση ίση με το 30% της απόστασης των κινητών ηλεκτροδίων, από την εκάστοτε περιοχή έρευνας (π.χ. σε απόσταση 15 μέτρων για απόσταση κινητών ηλεκτροδίων ίση με 0.5 μέτρο). Τα κινητά ηλεκτρόδια (ένα για το ρεύμα και ένα για το δυναμικό) κινούνται ταυτόχρονα και με σταθερό βήμα δειγματοληψίας εντός της υπό εξέτασης περιοχής. Η χωρική διακριτική ικανότητα της διάταξης είναι της τάξης του 1.0α, ενώ το βάθος ανίχνευσης δύναται να φθάσει το 1.0 - 2.0α, όπου α είναι το άνοιγμα των κινητών ηλεκτροδίων. Η ακρίβεια των μετρήσεων είναι της τάξης των1 - 0.1 Ω. Στην εικόνα 3 φαίνεται η διάταξη του Διπλού Ηλεκτροδίου όπως αυτή χρησιμοποιείται κατά τις υπαίθριες μετρήσεις.

Τομογραφίες (Δισδιάστατη διασκόπηση): Η δισδιάστατη διάταξη μέτρησης επιτρέπει τη συλλογή δεδομένων τα οποία εμπεριέχουν πληροφορίες τόσο για την οριζόντια όσο και για την κατακόρυφη μεταβολή της αντίστασης. Αυτού του τύπου οι μετρήσεις είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν για την ποσοτική ερμηνεία θαμμένων δομών (προσδιορισμός βάθους, μεγέθους, σχήματος της δομής) και έχουν χρησιμοποιηθεί στην αρχαιολογική έρευνα.

Οι δισδιάστατες γεωηλεκτρικές διασκοπήσεις έχουν εξελιχθεί για τις απαιτήσεις ερευνών μεγάλης κλίμακας: μια σειρά από ηλεκτρόδια τοποθετούνται στην επιφάνεια του εδάφους και μέσο ενός πολύκλωνου καλωδίου και ενός συστήματος πολυπλεξίας λαμβάνονται αυτόματα μετρήσεις οδεύσεως πάνω από την περιοχή ενδιαφέροντος με συνεχώς αυξανόμενες αποστάσεις ηλεκτροδίων.

Αυτού του τύπου τα δεδομένα είναι δύσκολο να ερμηνευτούν απ' ευθείας. Απαιτείται επεξεργασία των δεδομένων με τους λεγόμενους αλγόριθμους μη-γραμμικής δισδιάστατης αντιστροφής. Στην εικόνα 4 παρουσιάζεται ένα παράδειγμα από εικόνα δυσδιάστατης αντιστροφής πάνω από τοίχο.

Πρέπει να τονιστεί ότι οι τομές αυτού του τύπου, λόγω του μεγάλου φόρτου εργασιών υπαίθρου που παρουσιάζουν, μετρούνται συνήθως επιλεκτικά σε περιοχές που παρουσιάζουν αυξημένο ενδιαφέρον.

Βαρυτικές και Μαγνητικές Μέθοδοι Γεωφυσικής Διασκόπησης

Γενικά

Οι βαρυτικές και μαγνητικές μέθοδοι γεωφυσικής διασκόπησης αποτελούν από τις πρώτες χρησιμοποιούμενες μεθόδους στον εντοπισμό υπεδάφιων δομών. Η σχετικά εύκολη διαδικασία και ταχύτητα λήψης των δεδομένων σε συνδυασμό με το μικρό κόστος που παρουσιάζουν σε σχέση με άλλες μεθόδους (π.χ. σεισμική ανάκλαση) τις καθιστά ιδιαίτερα δημοφιλείς γεωφυσικές μεθόδους.
Όπως αναφέρει και το όνομά τους, κάνοντας χρήση αυτών των μεθόδων, γίνεται προσπάθεια να μετρηθούν δύο δυναμικά πεδία, το βαρυτικό και το μαγνητικό. Για το λόγο αυτό οι μέθοδοι αυτές είναι κυρίως γνωστές ως "μέθοδοι πεδίων δυναμικού". Υπάρχουν περιπτώσεις που αυτές οι δύο μέθοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν ταυτόχρονα, καθώς η μετάβαση από το ένα πεδίο στο άλλο μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω της σχέσης Poisson. Η σχέση Poisson συνδέει το βαρυτικό και το μαγνητικό δυναμικό που προκαλεί ένα σώμα εφ΄ όσον θεωρηθεί ότι η κατανομή της πυκνότητας και της μαγνήτισης κατανέμεται ομοιόμορφα σε όλο τον όγκο του. Επίσης πολλές από τις εφαρμοζόμενες τεχνικές επεξεργασίας των συλλεχθέντων δεδομένων είναι κοινές και στις δύο μεθόδους.

Μαγνητικές Διασκοπήσεις

Οι μαγνητικές διασκοπήσεις έχουν στόχο την ανίχνευση της αλλαγής των μαγνητικών ιδιοτήτων του υπεδάφους λόγω της παρουσίας δομών που βρίσκονται κάτω από την επιφάνεια του εδάφους. Κατά την διεξαγωγή μιας μαγνητικής διασκόπησης μετριέται το τοπικό μαγνητικό πεδίο της γης σε κάποια απόσταση από την επιφάνεια αυτής. Το ύψος που μπορεί να πραγματοποιηθεί μία μαγνητική διασκόπηση κυμαίνεται από 0.5 μέτρο, στην περίπτωση εντοπισμού θαμμένων αρχαιοτήτων, έως και μερικές εκατοντάδες μέτρα πάνω από το τοπογραφικό ανάγλυφο μιας περιοχής, στην περίπτωση εντοπισμού ανωμαλιών που σχετίζονται με την γεωλογία της περιοχής.

Για την μέτρηση του μαγνητικού πεδίου χρησιμοποιούνται συνήθως μαγνητόμετρα μέτρησης της ολικής έντασης του μαγνητικού πεδίου (πρωτονιακά μαγνητόμετρα) ή διαφορικά μαγνητόμετρα (πρωτονιακά ή ροής), τα οποία μετρούν την κατακόρυφη βαθμίδα του μαγνητικού πεδίου. Η ακρίβεια που παρουσιάζουν αυτά τα όργανα είναι της τάξης του 0.1 - 1 nT. Στην περίπτωση εντοπισμού αρχαιολογικών λειψάνων οι μετρήσεις λαμβάνονται με ένα σταθερό βήμα δειγματοληψίας σε ορθογώνιους καννάβους, μικρών σχετικά διαστάσεων (10x10 ή 20x20), τοποθετώντας τον αισθητήρα (ή μετρητή) σε μία σταθερή και μικρή απόσταση από την επιφάνεια της γης.

Υπεδάφειοι στόχοι με μαγνητικές ιδιότητες διαφορετικές από αυτές του περιβάλλοντος αλλάζουν κατά μικρό ή μεγάλο βαθμό το τοπικό μαγνητικό πεδίο. Η παραμόρφωση αυτή του μαγνητικού πεδίου παρατηρείται σαν "ανωμαλία" στις μετρήσεις. Οι ανωμαλίες αυτές μπορεί να οφείλονται σε διαφορετικά αίτια και διαφοροποιούνται βάση της έντασης του μαγνητικού πεδίου και του γεωμετρικού σχήματος αυτών. Τάφροι, εστίες καύσης, φούρνοι, αρχιτεκτονικές δομές ή συγκεντρώσεις οργανικού υλικού μπορούν να δημιουργήσουν ισχυρές μαγνητικές ανωμαλίες. Οι μαγνητικές ανωμαλίες εξαρτώνται τόσο από την διεύθυνση του μαγνητικού πεδίου της γης όσο και από την διεύθυνση της μαγνήτισης. Για τον λόγο αυτό οι μαγνητικές ανωμαλίες είναι κυρίως διπολικού χαρακτήρα.

Οι μαγνητικές ανωμαλίες σχετίζονται άμεσα με την μαγνητική επιδεκτικότητα του εδάφους. Περιοχές με αυξημένη μαγνητική επιδεκτικότητα (πάντα σε σχέση με το περιβάλλον) εμφανίζονται ως θετικές μαγνητικές ανωμαλίες ενώ αντίθετα περιοχές με μειωμένη μαγνητική επιδεκτικότητα παρουσιάζονται ως αρνητικές ανωμαλίες. Και τα δύο αυτά είδη μαγνητικών ανωμαλιών παρουσιάζουν ενδιαφέρον στην διαδικασία ερμηνείας των μαγνητικών δεδομένων.

Γενικά η ύπαρξη αρχαιολογικών ερειπίων στο υπέδαφος συνοδευόμενη συνήθως από μία αύξηση της μαγνητικής επιδεκτικότητας στο υπέδαφος, προκαλεί ένα ασθενές μαγνητικό πεδίο το οποίο μεταβάλλει το τοπικό μαγνητικό πεδίο της γης. Τα πυρηνικά μαγνητόμετρα μετρούν την συνισταμένη του ασθενούς τοπικού μαγνητικού πεδίου και του πιο ισχυρού γήiνου μαγνητικού πεδίου. Τα διαφορικά μαγνητόμετρα (μαγνητόμετρα ροής) μετρούν την κάθετη ή την οριζόντια συνιστώσα του μαγνητικού πεδίου. Τα δύο αυτά είδη μαγνητομέτρων αποτελούν τα πιο αποτελεσματικά όργανα μέτρησης του τοπικού μαγνητικού πεδίου και των μεταβολών αυτού λόγω παρουσία ανθρωπογενών λειψάνων.

Γενικά η μεταβολή του τοπικού μαγνητικού πεδίου λόγω της ύπαρξης υπεδάφειων αρχαιολογικών λειψάνων είναι σχετικά μικρή, εξαιτίας της ασθενούς παραμένουσας μαγνήτισης. Η μεταβολή αυτή αυξάνεται με την αύξηση της μαγνητικής επιδεκτικότητας των αρχαιολογικών στόχων (φαινόμενα καύσης, πυκνότητα σε σιδηρούχα συστατικά κ.α.) Τα όργανα τα οποία απαιτούνται για τον εντοπισμό αρχαιολογικών ερειπίων πρέπει να έχουν υψηλή ακρίβεια, μεγάλη ευαισθησία και αξιοπιστία μετρήσεων. Τα όργανα αυτά μετρούν το μαγνητικό πεδίο με μία ακρίβεια της τάξεως των 0.1 - 1 nT (δηλαδή 0.1 - 1 x 10-9 T). Ακόμα μεγαλύτερη ακρίβεια, της τάξεως του pT (0.001 - 0.01 nT) είναι εφικτή με τα μαγνητόμετρα Καισίου, αλλά υπάρχει ο κίνδυνος εισαγωγής αυξημένων επιπέδων εξωτερικού θορύβου.

Πρέπει να σημειωθεί ότι το μαγνητικό πεδίο της γης δεν είναι στάσιμο αλλά μεταβάλλεται με τον χρόνο. Από όλες τις μεταβολές του μαγνητικού πεδίου αυτή που παρουσιάζει μεγαλύτερο ενδιαφέρον είναι η ημερήσια μεταβολή. Οι παροδικές αυτές μεταβολές επηρεάζουν τις μαγνητικές μετρήσεις υπαίθρου και δεν είναι προβλέψιμες.

Υπό κανονικές συνθήκες, η ένταση του μαγνητικού πεδίου παρουσιάζει διακυμάνσεις της τάξεως των 50 - 100 nT. Στις περιπτώσεις των μαγνητικών καταιγίδων το μαγνητικό πεδίο παρουσιάζεται πιο ενεργητικό και οι αλλαγές που εντοπίζονται είναι της τάξεως των 100 - 500 nT. Για τον λόγο αυτό είναι επιτακτική η ανάγκη της παρακολούθησης της αλλαγής του μαγνητικού πεδίου καθ' όλο το διάστημα των μαγνητικών διασκοπήσεων, χρησιμοποιώντας ένα δεύτερο μαγνητόμετρο ολικής έντασης. Η χρήση διαφορικών μαγνητομέτρων έχει το πλεονέκτημα της εξαλείψεις των δραστικών αλλαγών του μαγνητικού πεδίου, καθώς και της άμβλυνσης των γεωλογικών επιδράσεων.

Βαρυτικές Διασκοπήσεις

Αντικειμενικός σκοπός των μεθόδων βαρυτικής διασκόπησης είναι ο καθορισμός των μεταβολών της πυκνότητας του υπεδάφους πραγματοποιώντας μετρήσεις της έντασης του πεδίου βαρύτητας στην επιφάνεια της γης. Δηλαδή στη βαρυτομετρία γίνεται προσπάθεια να εντοπιστούν δομές που παρουσιάζουν αντίθεση πυκνότητας (είτε θετική είτε αρνητική) με το περιβάλλον στο οποίο βρίσκονται. Οι μέθοδοι αυτές στηρίζονται στο νόμο της παγκόσμιας έλξης (βαρύτητας) του Νεύτωνα, ο οποίος καθορίζει την ελκτική δύναμη που ασκείται μεταξύ δύο σωμάτων ορισμένης μάζας, που βρίσκονται σε κάποια απόσταση μεταξύ τους.

Τα σύγχρονα όργανα τα οποία χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση του πεδίου βαρύτητας ονομάζονται βαρυτόμετρα. Η αρχή λειτουργίας των βαρυτομέτρων στηρίζεται στην ύπαρξη ενός ελατηρίου, στην άκρη του οποίου βρίσκεται κρεμασμένο ένα σώμα ορισμένης μάζας. Στα σημερινά βαρυτόμετρα γίνεται χρήση των λεγόμενων ελατηρίων «μηδενικού μήκους», στα οποία μία αρχική δύναμη συγκρατεί τις σπείρες του ελατηρίου σε επαφή.

Τα βαρυτόμετρα είναι όργανα ιδιαίτερα ευαίσθητα καθώς επηρεάζονται από τις μεταβολές της πίεσης και της θερμοκρασίας. Για τον λόγο αυτό τα βαρυτόμετρα τοποθετούνται μέσα σε θήκες, όπου η θερμοκρασία και η πίεση διατηρούνται σταθερές με διάφορες τεχνικές. Επίσης ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στις μεταβολές των ελαστικών ιδιοτήτων των ελατηρίων, η αποφυγή των οποίων όμως είναι πολλές φορές δύσκολη, καθώς δεν μπορούν εύκολα να προβλεφθούν.

Για την πραγματοποίηση των μετρήσεων βαρύτητας σε μία περιοχή, πρέπει πρώτα να οριστεί ένας σταθμός βάσης και ένα δίκτυο άλλων σημείων που αποτελούν ένα κανονικό κάνναβο ή ισαπέχουν σε μία τομή. Στη συνέχεια οι μετρούμενες τιμές του πεδίου βαρύτητας, πριν υποστούν οποιαδήποτε επεξεργασία και ερμηνευτούν, θα πρέπει να υποστούν τις κατάλληλες αναγωγές και διορθώσεις (αναγωγή στο ίδιο γεωγραφικό πλάτος, αναγωγή στο ίδιο υψόμετρο, αναγωγή Bouguer, τοπογραφική αναγωγή).

Το πλεονέκτημα που παρουσιάζουν αυτές οι μέθοδοι, ως προς την ερμηνεία τους, σε σχέση πάντα με τις μαγνητικές μεθόδους, αποτελεί το γεγονός ότι οι παρατηρούμενες ανωμαλίες είναι μονοπολικές, δηλαδή μεγιστοποιούνται ή ελαχιστοποιούνται ακριβώς πάνω από την υπεδάφια δομή που προκαλεί το ανώμαλο βαρυτικό πεδίο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι βαρυτικές ανωμαλίες εξαρτώνται μόνο από την κατανομή της πυκνότητας της δομής. Αντίθετα οι μαγνητικές ανωμαλίες εξαρτώνται εκτός από την κατανομή της μαγνήτισης και από την διεύθυνση του μαγνητικού πεδίου της γης και γι΄ αυτό εμφανίζονται πολλές φορές με διπολική μορφή.

Η Μέθοδος του Υπεδάφιου Radar (ή Γεωραντάρ)

Η λέξη RADAR προέρχεται από τα αρχικά RAdio Detecting And Ranging. Πρόκειται για ένα σύστημα το οποίο χρησιμοποιεί την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία υψηλής συχνότητας.

Η μέθοδος του υπεδάφιου Radar (Ground Penetrating Radar - G.P.R.) παρουσιάζει την ίδια αρχή λειτουργίας με την μέθοδο της σεισμικής ανάκλασης. Πρόκειται για μία ηλεκτρομαγνητική γεωφυσική τεχνική που βρίσκει εφαρμογή στην χαρτογράφηση των στρωμάτων σε εδάφη και πετρώματα και στον εντοπισμό υπόγειων δομών, στηριζόμενη στις διαφορές των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των υλικών. Η εφαρμογή της μεθόδου ξεκίνησε αρχικά το 1956, αλλά η μεγάλη ώθηση της μεθόδου δόθηκε μετά το 1970 κυρίως λόγω της αλματώδους εξέλιξης των ηλεκτρονικών υπολογιστών κατά την διάρκεια της δεκαετίας του 1960.

Η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μία σειρά από εφαρμογές όπως είναι η χαρτογράφηση του βάθους του υποβάθρου, ο καθορισμός του πάχους των στρωμάτων και το βάθος του υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα, ο εντοπισμός φυσικών και τεχνητών εγκοίλων στο υπέδαφος, η ανίχνευση των αλλαγών της σύστασης των πετρωμάτων, ο εντοπισμός ρωγμών του υποβάθρου. Ιδιαίτερη εφαρμογή της μεθόδου πραγματοποιείται στην Αρχαιομετρία για τον εντοπισμό θαμμένων αρχαιοτήτων και αρχαιολογικών λειψάνων.

Η βασική αρχή της μεθόδου στηρίζεται στην εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, υψηλής συχνότητας, στο υπέδαφος και στην καταγραφή των επιστρεφομένων κυμάτων. Η ηλεκτρομαγνητική ενέργεια που διαδίδεται στο υπέδαφος εξαρτάται από τις ηλεκτρικές ιδιότητές του, δηλαδή την διηλεκτρική σταθερά και την αγωγιμότητα. Βασικά, η μέθοδος στηρίζεται κυρίως στην καταγραφή των ανακλωμένων κυμάτων σε επιφάνειες που παρουσιάζουν διαφορετικές ηλεκτρικές ιδιότητες.

Όπως αναφέρθηκε η αρχή λειτουργίας της μεθόδου G.P.R. (γεωραντάρ) παρουσιάζει ομοιότητες με αυτή της μεθόδου της σεισμικής ανάκλασης. Ένας ηλεκτρομαγνητικός παλμός υψηλής συχνότητας και μικρής διάρκειας παράγεται και διοχετεύεται στο έδαφος. Ο παλμός (το σήμα) διαδίδεται και διαχέεται στα υλικά που συνιστούν το υπέδαφος και η πορεία του εξαρτάται από τις ιδιότητες των περιβαλλόντων υλικών. Ένα μέρος της ενέργειας του παλμού ανακλάται στην διαχωριστική επιφάνεια υλικών με διαφορετικές ιδιότητες και καταγράφεται σε έναν δέκτη, ο οποίος βρίσκεται στην επιφάνεια του εδάφους, ενώ η υπολειπόμενη ενέργεια του παλμού διοχετεύεται σε βαθύτερα επίπεδα.

Ο χρόνος που μεσολαβεί μεταξύ του εκπεμπόμενου και λαμβανόμενου παλμού εξαρτάται από την ταχύτητα διάδοσης κατά μήκος της διαδρομής που αυτός ακολούθησε. Ο χρόνος αυτός μπορεί να μετρηθεί και αν η ταχύτητα διάδοσης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος είναι γνωστή μπορεί να υπολογιστεί το βάθος του ανακλαστήρα. Στα περισσότερα γεωλογικά υλικά η αγωγιμότητα και η διηλεκτρική σταθερά (σχετική διαπερατότητα) είναι οι παράμετροι που κυρίως επηρεάζουν τον παλμό. Επιπλέον η απορρόφηση του σήματος εξαρτάται από την συχνότητα της κεραίας, την αγωγιμότητα και την διηλεκτρική σταθερά.
Το μέγιστο βάθος για το οποίο μπορεί να δώσει πληροφορίες η μέθοδος του Γεωραντάρ εξαρτάται κυρίως από την απορρόφηση των ηλεκτρομαγνητικών (ΗΜ) κυμάτων. Η απορρόφηση αυξάνει με την συχνότητα και κατά συνέπεια όσο χαμηλότερη συχνότητα χρησιμοποιείται τόσο βαθύτερα "βλέπει" η μέθοδος. Πρέπει όμως να λαμβάνεται υπόψιν ότι η διακριτική ικανότητα μειώνεται με την αύξηση της συχνότητας. Για παράδειγμα συστήματα G.P.R. που λειτουργούν σε εύρος 25-50 Mhz μπορεί να διερευνήσουν βάθη που υπερβαίνουν τα 50 μέτρα σε εδάφη με χαμηλή αγωγιμότητα (μικρότερη από 1ns/m) όπως άμμος, χαλίκια.
Οι καταγραφές Radar (ραδιογράμματα) τοποθετούνται η μία δίπλα στην άλλη κατ΄ αναλογία με τις σεισμικές αναγραφές. Δημιουργείται έτσι μία τομή η οποία προσομοιάζει την αληθινή ηλεκτρική τομή του υπεδάφους, δηλαδή της αποτύπωσης των ηλεκτρικών ιδιοτήτων του με το βάθος.