Usklajevanje metod za karakterizacijo arheoloških materialov z meritvami magnetne susceptibilnosti Harmonization of the Characterization Methods for Archaeological Materials with Magnetic Susceptibility Measurements F. Dime1, IJS, Ljubljana B. Mušič, Oddelek za arheologijo, FF, Univerza v Ljubljani Prejem rokopisa - received: 1995-10-04; sprejem za objavo - accepted for publication: 1995-12-22 Meritve magnetne susceptibilnosti v arheološke namene rabijo predvsem razvrščanju različnih arheoloških vzorcev. V povezavi s terenskimi merjenji vertikalne komponente zemeljskega magnetnega polja in z geokemijskimi analizami postaja ta vrsta meritev vedno bolj uporabljana laboratorijska tehnika - posebno pri določevanju površin nekdanjih naselbin, kurišč in odlagališč odpadkov pri predelavi rud. I/ delo arheologov v antični naselbini na Ajdovščini nad vasjo Rodik je bila vključena meritev magnetne susceptibilnosti. Z uveljavljeno metodo Honda Owen za materiale, ki vsebujejo pod 1 % feromagnetnih primesi, so rezultati laboratorijskih meritev magnetne susceptibilnosti primerljivi z rezultati drugih metod za razvrščanje (npr. geokemijskih analiz). Ključne besede: arheološke prospekcije, arheološki terenski pregled, magnetna susceptibilnost, magnetometrija Magnetic susceptibility measurements for the archaeological purposes are commonly used for the characterization of sueh samples. In the combination with the results of vertical component of the geomagnetic field prospections it is becoming very spread laboratory technique, especially for the locating of the ancient settlement, fireplaces and metallurgical dumping-places. Magnetic susceptibility measurements is ineorporated into the archaeological excavation on Ajdovščina above the Rodik village. Series of the susceptibility measurements are analysed by the standard Honda Owen method, which makes those results comparable with the results of the geochemical analyses. Key vvords: archaeological prospeetion, archaeological survey magnetic susceptibility, magnetometry 1 Uvod Zaradi prisotnosti železa v glini, ki ga je navadno le nekaj odstotkov, pride pri segrevanju in ohlajanju do tvorbe mineralov železovih oksidov. Antiferomagnetna hematit ccFe203 in goethit aFeOOH se pod vplivom naraščajoče temperature in redukcijske atmosfere preoblikujeta v feromagnetni magnetit FeiO^, ki se ob upadanju temperature v oksidacijski atmosferi preoblikuje v ferimagnetni maghemit YFe203'-2. Zaradi tega je magnetna susceptibilnost žgane gline višja od zemljišča, v katerem se nahaja. Pri ohlajanju pod kritično temperaturo za železove okside (blizu 580°C za magnetit, in 680°C za hematit), inducirana magnetizacija v glini "zamrzne" kot stabilna naravna remanentna magnetizacija (NRM). Rezultat je anomal-na smer in jakost lokalnega magnetnega polja v bližini žgane 1 Franc DIMC, dipl.inž.el. Inštitut Jožef Štefan 1111 Ljubljana. Jamova 39 gline3. S sistematičnim kartiranjem vertikalnega gradienta gostote magnetnega polja in meritvami magnetne susceptibilnosti na Zemljinem površju je možno natančno locirati takšne arheološke objekte. Kontrast v magnetizaciji je lahko rezultat inducirane in/ali remanentne magnetizacije. Za razpoznavanje teh dveh tipov je potrebna analiza morfologije in polarnosti magnetnih anomalij, kot tudi meritve magnetne susceptibilnosti na materialu (prst in fragmenti lončenine, opeke in odpadnih produktov metalurgije). 2 Vrste opravljenih meritev in analiz: - terenske (prospekcijske) meritve gradienta geomagnetnega polja - laboratorijske in terenske meritve magnetne susceptibilnosti - geokemijske analize (delni razklop) - pobiranje površinskih najdb v mreži. 3 Meritve magnetnih lastnosti Vzorci iz globine 10-20 cm pod površino so bili pred laboratorijsko meritvijo homogenizirani in geokemijsko analizirani. Za eno meritev pri sobni temperaturi zadošča 70 mg vzorca. Instrument (DSM8, Manics) meri po Faradayevem principu silo, ki je sorazmerna masni magnetizaciji o merjenega vzorca. Na vrednost o arheoloških vzorcev vpliva mnogo parametrov, zato je ponovljivost merilnih rezultatov slaba - toda, če za isti vzorec rezultata dveh meritev nista različna za več kot 10%, smatramo meritev za ponovljivo4,5. S prenosnim instrumentom (Kappameter KT-5, Geofyzika, Brno), ki deluje na mostičnem principu, prospekcijsko merimo K v izmeničnem magnetnem polju konstantne amplitude magnetne poljske jakosti. S pretočnim gradiometrom (FM36, Geoscan Research) merimo gradient vertikalne komponente lokalnega magnetnega polja (dB,/dz) glede na ničelno referenčno točko, ki jo določimo na začetku meritev. Teoretično lahko s tem instru- 1 [2] 3 4 5 6 7 H « 10 II 12 Zaporedna številka vzorca I 2 3 4 5 6 7 8 9 10 II 12 13 SIT tt I H" ■ F1 geokemijska anomalija zaradi metalurgije (lončarstva) F2 geokemijska anomalija zaradi gradbenega materiala (homogenizacija O F3 za geokemijo nepomembna skupina vzorcev, ozadje Slika 1: Primerjava rezultatov geokemijske analize in laboratorijskih meritev magnetne susceptibilnosti vzorcev, vzetih iz globine 10-20 cm pod površino. Figure 1: Comparision between laboratory measurements of magnetic susceptibility and results of chemical analysis of soil samples taken 10 - 20 cm below the present surface meritev Aq vzorca 2, meritev A] vzorca 2, Temperatura (°C ) Puščice kažejo smer spreminjanja temperature Slika 2: Odvisnost parametrov regresijske premice Ao in Ai za vzorec številka 2 od temperature Figure 2: Temperature dependance of regression line parameters Ao and Ai for sample No.2 mentom ločljivosti InT/m zaznamo magnetne anomalije nad arheološkimi materiali, kot so npr. feromagnetni in keramični objekti (npr. lončarske delavnice), opeka, žganinske plasti itd.6" 8. Pri ugotavljanju arheološkega potenciala nekega področja pa dobimo navadno popolnejšo arheološko informacijo s kombinacijo več arheoloških prospekcijskih metod9"14. 4 Rezultati laboratorijskih analiz Po geokemijski analizi elementov, vsebovanih v vzorcih, smo za vsak element posebej določili srednjo vrednost pojavljanja v vseh vzorcih in standardni odmik. S statističnim programom CSS smo glede na podobnost srednjih vrednosti izoblikovali tri razrede: Fl, F2 in ozadje F3 (slika l)15. Za meritev magnetne susceptibilnosti x v laboratoriju rezultate masne magnetizacije c(H) preslikamo v regresijsko premico x(l/H). Vrednost naklona premice označimo z A() in vrednost pri l/H = 0 z A\. V vzorcih, ki vsebujejo pod 5% magnetnih primesi, predstavlja naklon A« produkt koncentracije in magnetizacije v nasičenju as4. Rentgenska analiza vzorca 2 prisotnosti kristala železovega oksida Fe203 ne kaže zanesljivo, verjetno zaradi njegove monoklinske zgradbe. Glede na vrednost naklona A« pred nT/m dZ/dz (nT/m) in magnetna susceptibilnost (>0.6xl0"5 SI) za kvadranta FX in GX 20.0 15.0 10.0 razdalja (m) Slika 3: Oblika, jakost in smer magnetizacije kažejo na kombinirano inducirano in termoremanentno magnetizacijo (področje A). Vrednosti magnetne susceptibilnosti, večje od enega standardnega odklona (1.1 x 10"5 SI), se prostorsko popolnoma ujemajo z anomalijami vertikalnega gradienta magnetnega polja Figure 3: Shape, intensity and direction of magnetization suggest the combined induced /thermoremanent pattern (area A). Magnetic susceptibility readings greater than one standard deviation (1,1 x 10"5 SI) spatially correspond to anomalies of the vertical gradient of the local magnetic field Slika 4: Na področju magnetnih anomalij (slika 3: področje A) je bila ugotovljena najvišja koncentracija drobcev arheološke keramike (področje A). Sklepamo, da se pod površjem nahaja antična delavnica (lončarska peč?) Figure 4: The area of recorded magnetic anomalies (Figure 3: area A) matehes to a higher concentration of Roman sherds found in intensive surface survey (area A). Presumably a Roman kiln burried in this plače Slika 5: Oblika, jakost in smer magnetizacije kažejo na kombinirano inducirano in termoremanentno magnetizacijo (področje B) in prevladujoč termoremanentni tip magnetizacije (področje C). Na obeh področjih so bile izmerjene tudi visoke vrednosti magnetne susceptibilnosti Figure 5: Shape, amplitude and the direetion of the magnetization in the area B suggest the combined induced /thermoremanent pattern of magnetization and the prevailing thermoremanent type of the magnetization in area C. In both areas also high values of the magnetic susceptibility were measured magnetna susceptibilnost in distribucija keramike v kvadrantih FX in GX dZ/dz (nT/m) in magnetna susceptibilnost (>0.6x10"-' SI) v kvadrantu HVIII 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 razdalja (m) nT/m 80 60 40 30 23 20 — 17 1— 14 1— 11 8 r— _LJ 5 2 -1 -4 -7 -10 ——T- -13 j -16 'št -19 & -22 -30 ■m -40 is -50 segrevanjem na 600°C (slika 2) in os hematita16, naj bi ga vzorec vseboval 10 mas.%, geokemijska analiza pa kaže 3,11 mas. % železa. Po ohladitvi na sobno temperaturo pa po predpostavki pretvorbe v maghemit1 in upoštevaje TGA vzorec vsebuje največ 0,5 mas.% maghemita. 5 Rezultati prospekcije Na kasnoantični naselbini na Ajdovščini nad Rodikom15'17 (vodja arheološkega projekta je izr. prof. dr. Božidar Slapšak) smo poleg geofizikalnih prospekcij opravili še intenzivni teren- ski pregled (pobiranje površinskih najdb v mreži). Površinske najdbe nam omogočajo časovno opredelitev arheoloških kulturnih plasti, v kombinaciji z geofizikalnimi raziskavami pa tudi namembnost površin oz. objektov v arheološki preteklosti. Ugotovljena je bila visoka stopnja prekrivanja (korekcije) med rezultati magnetometrije, magnetne susceptibilnosti in distribucijo keramike in/ali odpadnih produktov metalurgije (žlindra). Rezultate raziskave predstavljamo (slike 3 do 7) na dveh prostorsko ločenih terenih na severnem (površina 20 x 40 m) in vzhodnem pobočju (površina 20 x 20 m) prazgodovinskega nasipa, znotraj katerega se nahaja kasnoantična naselbina. področje A razdalja (m) Slika 6: Na področju anomalnih vrednosti magnetizacije (slika 5: področje B) je bila ugotovljena višja koncentracija antične keramike Figure 6: The area of anomalous magnetization (Figure S: area B) corresponds to a higher concentration of the antique pottery magnetna susceptibilnost in distribucija keramike v kvadrantu HVIII 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 razdalja (m) Slika 7: Na področju B so bile ugotovljene zelo visoke koncentracije odpadnih produktov metalurgije. Glede na tip magnetizacije (slika 5: področje B) in visoke vrednosti magnetne susceptibilnosti sklepamo, da gre za antični metalurški objekt. Tudi na področju C je bila ugotovljena višja koncentracija žlindre. Glede na tip magnetizacije in visoke vrednosti magnetne susceptibilnost (slika S: področje C) sklepamo, da gre za manjšo deponijo odpadnih produktov metalurgije Figure 7: In the area B high concentrations of slag was found. According to the type of the magnetization (figure 5: area B) and the high magnetic susceptibi!ity values it is supposed the existence of burried Roman struetures associated with metallurgical aetivities. In the area C also higher concentration of the slag deposites has been observed. Type of the magnetization and high values of the magnetic susceptibility (figure 5: area C) suggest the existence of small slag deposits burried in this plače magnetna susceptibilnost in distribucija žlindre v kvadrantu HVIII 8.0 10.0 12.0 razdalja (m) 6 Sklep Za celovito interpretacijo arheološkega najdišča na podlagi nedestruktivnih metod je potrebno vzporedno izvajati več različnih prospekcij. Na podlagi podanih primerov pa lahko sklenemo, da je, glede na visoko stopnjo korelacije med posameznimi neodvisnimi metodami za lociranje določenih tipov arheoloških objektov, možno uporabiti le meritve magnetne susceptibilnosti. Prednost te metode je v hitrosti zajemanja podatkov, enostavni interpretaciji in cenenosti. 7 Literatura 'Tite, M. S., Mullins. C., Enhancement of the magnetic susceptibility of soils on archaeological sites. Archaeumetry, 13, 1971, 2, 209-219 2Craik, D. J.. Magnetic Oxides, John Wiley and Sons, London, 1975, 708 3 Abrahamsen, N. Breiner, N., Magnetic investigation of a mediaeval tile kiln near Kalo, Denmark. Archaeometrv '90 (ed.: E. Pernicka in A. VVagner), Basel, 1991, 843 4 Dime, F.. Merjenje magnetne susceptibilnosti arheoloških materialov, Diplomska naloga. Fakulteta za elektrotehniko in računalništvo, Univerza v Ljubljani, 1993, 25-36 5 Dime, F., Poročilo o meritvah a(H) arheoloških materialov z Rodika, Inštitut Jožef Štefan, interno poročilo, 1994, 12 s. 6 Heathcote, C. Aspinall. A., Some aspects of the use of fluxgate mag-netometers (gradiometers) in geophysical prospeetion in archaeol-ogy. Revue d'Archaeometrie, 5, 1981, 61-70 7 Paparaminopoulos, P, Tsokas, G. N., VVilliams, H., Magnetic and electric measurements on the island of Lesbos and the deteetion of buried ancient relies. Geoexploration, 23, 1985, 483-490 8Paparaminopoulos, P, Tsokas, G. N„ VVilliams, H., Electric resis-tance and resistivity measurements and magnetic mapping of the archaeological relies on the castle of Mytilene. Bolletino Geofisica Teorica ed Applicata, 28, 1986, 111-112 9 Erdelvi, B., Pattantyus, A., Computer image processing and soil re-sistivity survey of an archeological site diseovered by aerial photog-raphy. Archaeometrical research in Hungary, (M. Jaro & L.Kolto, ed.). National centre of museums, Budimpešta, 1988, 35-43 10Parrington, M., Geophysical and aerial prospeeting techniques at Valley Forge National historical park, Pennsylvania. Journal of field archaeology, 1979, 6/2, 193-201 " Klasner, J. S., Calengas, P, Electrical resistivity and soil studies at Orendorf archaeological site, Illinois: a čase study. Journal of field archaeology, 1981, 8/2, 168-174 ,2Carr, C., Handbook on soil resistivity surveying. Center for American archaeology (research series, vol. 2), Evanston, 1982, 676 "Clark. A., Seeing beneath the soil (Prospeeting methods in archaeol- ogy)., B. T. Batsford Ltd., London, 1990, 176 l4Jerem, E., Pattantyus, A., Varga, A., Application of multiple archaeometrical methods in prospeeting archaeological sites. Ar-chaeometry '90, (ed.: E. Pernicka, A. VVagner), Basel, 1991, 843 15 Mušič, B., Slapšak, B., Pire, S., Zupančič, N., Dime, F., Trojar, L., On-site prospeetion in Slovenia: the čase of Rodik, Archaeological Computing Newsletter, 1995, 43, 6-15 ,6Collinson, D. W., Methods in Palaeomagnetism and Ročk Magnet- ism, Chapman and Hali, 1983 17Slapšak, B., Ajdovščina nad Rodikom, Arheološki pregled, 1985, 134-135