Polarisierbarkeit von Holz – eine neue Methode für die Archäologie

Dem Institut für Geophysik der TU Clausthal ist es in Zusammenarbeit mit dem Institut für Meteorologie und Geophysik der J. W. Goethe Universität Frankfurt am Main erstmals gelungen, die spektrale induzierte Polarisation (SIP) für die Erkundung eines bronzezeitlichen Bohlenwegs (1500 – 1400 v. Chr.) erfolgreich einzusetzen. Ursprünglich wurde das Verfahren zur Exploration von Erzlagerstätten entwickelt. Anders als bei einer konventionellen Widerstandsmessung werden bei dieser Methode nicht die Amplituden des eingespeisten Stromsignals mit der gemessenen Spannung verglichen, sondern der zeitliche Versatz der beiden Grössen, die Phasenverschiebung, bestimmt. Durch Feldmessungen im Federseemoor in Bad Buchau (Kr. Biberach) konnte gezeigt werden, dass sich die SIP zur zerstörungsfreien Erkundung archäologischer Holzobjekte eignet.

Den Geophysikern Norbert Schleifer, Prof. Dr. Andreas Weller von der TU Clausthal und Simon Schneider, Prof. Dr. Andreas Junge von der J.W. Goethe Universität Frankfurt gelang es durch Profilmessungen an der Oberfläche, einen etwa neun Meter breiten Bohlenweg unter einer etwa einen Meter mächtigen Torfschicht zu finden. Die gut erhaltene Holzstruktur hebt sich durch erhöhte Phasenwerte vom ungestörten Boden ab. In der Archäologie besitzen Holzfunde eine große Bedeutung. Über die charakteristischen Jahrringabfolgen von Holz (Dendrochronologie) können Fundplätze datiert werden. Eine Veröffentlichung der Ergebnisse erfolgt in den nächsten Ausgaben der Fachzeitschrift „Archaelogical Prospection“.

Bei der induzierte Polarisation (IP) wird über zwei Stromelektroden eine definierte Signalform, meist als Sinus-oder Rechtecksignal von etwa 100 Milliampere in den Untergrund eingespeist. Zwischen zwei weiteren Elektroden wird das elektrische Potential bestimmt. Wird die IP mit mehr als einer Messfrequenz ausgeführt, spricht man von spektraler induzierter Polarisation (SIP). Die Frequenzen, mit denen SIP Messungen durchgeführt werden, reichen von wenigen Millihertz bis in den Kilohertz-Bereich. Polarisationseffekte im Untergrund führen zu einer Phasenverschiebung zwischen Stromsignal und gemessener Spannung.

De Ursachen für Polarisationseffekte sind elektrochemische Vorgänge an den Grenzflächen zwischen Mineralien und dem Elektrolyt im Porenraum. Wird ein äußeres elektrisches Feld angelegt, versuchen die Ionen innerhalb des Elektrolyten ein Ladungsgleichgewicht im Untergrund herzustellen. Erz- und Tonminerale, Engstellen im Porenraum und die chemische Zusammensetzung des Elektrolyten beeinflussen diesen Ladungsausgleich und führen zu messbaren Phasenverschiebungen zwischen Strom und Spannung. Das Auftreten von Polarisationseffekten wurde erstmals bei der Durchführung von Widerstandsmessungen in den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts beobachtet und später gezielt zur Erkundung von Erzlagerstätten genutzt.Erste Versuche, die induzierte Polarisation in der Archäologie einzusetzen, wurden 1970 unternommen. Jedoch konnte sich das damals noch sehr aufwendige Verfahren nicht in der archäologischen Prospektion etablieren. Erst in den 90er Jahren nach der Entwicklung automatisierter Messapparaturen und digitalisierter Auswerteverfahren gelang der Durchbruch in der Umweltgeophysik. Seitdem findet die SIP Anwendung bei der Untersuchung von Altlasten und im Grundwasserschutz.

Die Grundlage für die erfolgreiche Detektion des Bohlenwegs legten die Clausthaler und Frankfurter Wissenschaftler durch Labormessungen am Institut für Geophysik der TU Clausthal. Dort konnte gezeigt werden, dass Holz polarisierbar ist und zwar unabhängig von Art und Alter. Da das Verhalten polarisierbarer Materialien frequenzabhängig ist, war es wichtig, eine geeignete Messfrequenz für die Feldmessung zu bestimmen. Dies geschah an Holzproben, die während Ausgrabungen dem Bohlenweg an anderer Stelle entnommen wurden.

Mit dem nun vorliegenden Ergebnis der Feldmessungen konnte gezeigt werden, dass sich die Methode der spektralen induzierten Polarisation zum Auffinden von archäologischen Holzobjekten eignet. Dies ist von grosser Bedeutung für die Archäologie, da Holzfunde eine Datierung von Fundplätzen erlauben. Die erfolgreiche Feldmessung im Federseemoor bei Bad Buchau (Kr. Biberach) eröffnet für die geophysikalische Methode der SIP ein neues Anwendungsgebiet.

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Prof. Dr. Andreas Weller
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