3D TYRIMÙ GEORADARU TAIKYMAS ARCHEOLOGINIAMS, GEOLOGINIAMS IR INÛINERINIAMS UÛDAVINIAMS SPRÈSTI

Transcription

1 24 GEOLOGIJOS PAÞANGA Dainius Michelevièius, Vilniaus universitetas, Erikas Visakavièius, Klaipëdos universitetas, Mantas Budraitis, Vilniaus universitetas 3D TYRIMÙ GEORADARU TAIKYMAS ARCHEOLOGINIAMS, GEOLOGINIAMS IR INÛINERINIAMS UÛDAVINIAMS SPRÈSTI Anotacija Michelevièius D., Visakavièius E., Budraitis M. 3D tyrimø georadaru taikymas archeologiniams, geologiniams ir inþineriniams uþdaviniams spræsti // Geologijos akiraèiai. ISSN Vilnius, Nr. 1, p Pastaruoju metu visame pasaulyje atliekant archeologinius ir kitus poþeminës sàrangos sekliuosius tyrimus vis daþniau taikomi nedestruktyvûs 3D georadaro metodai. Lietuvoje kol kas atlikti tik pavieniai bandymai. Straipsnyje pateikiamos ðio metodo galimybës tiriant skirtingus objektus ávairiomis sàlygomis. 3D tyrimais georadaru buvo nesunkiai rastos sienø liekanos, esanèios Senøjø Trakø ir Dubingiø piliavietiese, kapø padëtys XIX a. Banduþiø ir Smeltës kapinaitëse Klaipëdoje, ávairûs objektai Uþutrakio dvaro parke. Tai pat georadaras buvo iðbandytas inþineriniams ir geologiniams objektams lokalizuoti ir kartografuoti. Abstract Michelevièius D., Visakavièius E., Budraitis M. 3D GPR applications solving archaeological, geological and engineering problems // Geologijos akiraèiai, ISSN , No. 1, p In recent years 3D ground penetrating radar (GPR) surveys became one of the most applicable for non-destructive archaeological and other shallow underground prospecting worldwide. However, in Lithuania application of GPR survey was performed only sporadically. The scope of this work was to test potential of 3D GPR surveys for different underground objects in various soil conditions in Lithuania. 3D GPR survey showed good results in detection of buried walls and foundations in Senieji Trakai and Dubingiai castle sites, grave location in XIX century Banduþiai and Smeltë cemeteries in Klaipëda, park investigations in Uþutrakis manor. Examples of pipeline localization and mapping of geological objects are also enclosed in the paper. Key words: 3D GPR survey, archeology, geophysics Received 18 February 2008, accepted 3 March 2008 Vilnius University, Èiurlionio 21/27, LT Vilnius, tel , dmi@geobaltic.lt Ávadas Pastaruoju metu itin sparèiai tobulëjant sekliajai geofizikinei árangai bei pleèiantis jos taikomumo galimybëms, atsiranda vis daugiau potencialiø ðiø tyrimø uþsakovø. Jeigu anksèiau sekliosios geofizikos metodai daþniausiai buvo taikomi geologiniams bei inþineriniams uþdaviniams spræsti, tai dabar ðie metodai itin sëkmingai taikomi ir archeologiniuose tyrinëjimuose. Reikia pastebëti, kad nedestrukciniai metodai kai kuriose Europos ðalyse net yra privalomi prieð pradedant standartinius archeologinius kasimo darbus. Vienas plaèiausiai sekliuose geologiniuose, inþineriniuose ir archeologiniuose tyrimuose taikomø nedestrukciniø metodø georadaras (ground penetrating radar), kuris, esant geroms sàlygoms, leidþia tirti poþeminæ sàrangà iki keliolikos metrø gylio. Naujos kokybës georadaro naudojimo pradþia sietina su erdviniais (3D) tyrimais, kurie pradëti taikyti pastaràjá deðimtmetá, iðsivysèius ðiuolaikinei programinei árangai, pritaikytai rinkti, apdoroti ir analizuoti itin didelius ðiø specifiniø duomenø kiekius. Lietuvoje pirmieji tyrimai georadaru atlikti daugiau nei prieð deðimtmetá Lietuvos geologijos tarnyboje, kuomet joje buvo ákurtas geofizikos skyrius ir sudaryta sekliøjø geofizikiniø tyrimø programa. Tai buvo bandomieji 2D tyrimai skirtingo tipo geologiniuose objektuose. Dël riboto tyrimø georadaru gylio buvo nuspræsta, kad geologijoje jis menkai taikytinas, todël vëliau buvo atliekami tik pavieniai tyrimai, labiau orientuoti inþineriniams uþdaviniams spræsti, pavyzdþiui, aptikti vamzdþiams ar kabeliams. Nuo 2004 m. UAB Geobaltic pradëta diegti 3D metodika. Sëkmingas jos pritaikymas rado savo niðà archeologiniuose tyrinëjimuose, tai sietina su tuo, kad dauguma archeologus dominanèiø

2 GEOLOGIJOS PAÞANGA objektø aptinkami 1-2 m gylyje, kuris nesunkiai pasiekiamas georadaro bangomis esant ávairiems gruntams. Ðiame straipsnyje pateikiami ádomesni 3D tyrimø georadaru pavyzdþiai, sukaupti UAB Geobaltic duomenø bazëje. Tyrimo metodika Georadaro veikimo principas paremtas elektromagnetiniø bangø atspindþiu siøstuvo siunèiama elektromagnetinë banga, sklisdama gruntu, yra atspindima nuo ribø, pasiþyminèiø skirtingomis elektrinëmis savybëmis. Atsispindëjusá signalà fiksuoja georadaro antena, ir jis registruojamas neðiojamajame kompiuteryje. Georadaro skleidþiamø bangø prasikverbimo gylis priklauso nuo naudojamo elektromagnetiniø bangø virpesiø daþnio ir nuo gruntø elektriniø savybiø. Didëjant daþniui, gerëja georadaro skiriamoji geba, bet maþëja prasiskverbimo gylis. Didëjant grunto elektriniam laidumui, didëja elektromagnetinio lauko energijos iðsklaidymas a) 25 (sugërimas) jame, dël ko prasiskverbimo gylis taip pat sumaþëja. Taigi smëlyje ir þvyre, kuriø varþos, palyginus su priemoliais ir moliais, didelës, prasiskverbimo gylis gali siekti m, o priemoliuose ir moliuose vos kelias deðimtis centimetrø. Paprasèiausias georadaro naudojimo atvejis matavimas viename taðke, kai nejudantis georadaro siøstuvas iðspinduliuoja trumpà aukðto daþnio signalà, ir dalis jo energijos, sklindanèios gilyn, priklausomai nuo kelyje pasitaikanèiø objektø elektriniø savybiø yra atspindima, o kita dalis sklinda toliau gilyn, ir taip procesas kartojasi toliau. Georadaro imtuve kas labai maþà laiko tarpà (0,2 ns) registruojamas atspindëtosios elektromagnetinës energijos dalies amplitudës kitimas, gaunama elektromagnetinës energijos amplitudës priklausomybë nuo laiko, arba vadinamoji trasa (1 pav., a). Georadaro antenai slenkant þemës pavirðiumi bei registruojant trasas norimu atstumu, gaunamas profilis, t.y. 2D atspindëtos elektro- b) c) 1 pav. Tyrimø georadaru metodika: a taðkinis matavimas; b profiliniai (2D) tyrimai; c erdviniai (3D) tyrimai; d 3D tyrimø masyvo vaizdavimas ir plokðtuminis pjûvis. d) Fig. 1. GPR survey methods: a point measurements; b profile (2D) investigations; c space (3D) investigations; d 3D massif imaging and planar section.

3 26 GEOLOGIJOS PAÞANGA 2 pav. Senøjø Trakø piliavietës tyrimø plokðtuminiai pjûviai ávairiame gylyje. Fig. 2. Planar sections done at different depths in the Senieji Trakai castle site. 30 m 58 m magnetinës energijos priklausomybë nuo laiko (1 pav., b). Toliau pleèiant tyrimus ir rikiuojant profilius vienà prie kito, gaunamas atitinkamas plotas, 110 cm padengtas taðkiniais matavimais (trasomis). Tokiu atveju gaunamas trimatis atspindþio amplitudþiø masyvas 3D kubas (1 pav., c). Pagrindinis 3D tyrimø georadarø privalumas galimybë analizuoti atspindþio amplitudþiø pasiskirstymà ne tik profiliuose, bet ir plokðtuminiuose pjûviuose (1 pav., d), kuriuose gaunama informacija apie aptikto objekto geometrijà, kas itin svarbu tiriant ávairius archeologinius objektus (pavyzdþiui, sienø liekanas, pamatus, kapavietes, vandentiekio sistemas ir kt.). Atliekant 3D lauko darbus, svarbu teisingai parinkti darbinius parametrus, tarp kuriø svarbiausi georadaro naudojamas daþnis ir atstumas tarp taðkiniø matavimø (trasø). Nuo georadaro daþnio priklauso vertikalioji skiriamoji geba, kuri gali kisti nuo keliø centimetrø (daþnis 2 GHz) iki keliø metrø (daþnis 100 MHz). Atstumas tarp trasø turi bûti parinktas taip, kad nebûtø praþiopsoti norimi iðskirti objektai. Akivaizdu, kad tiriant metrinëmis bangomis neverta rinkti duomenø kas kelis centimetrus, ir atvirkðèiai. Dauguma þemiau apraðytø objektø buvo tirti naudojant 500 MHz daþná, registruojant trasas kas 10 cm profiliø kryptimis ir kas 30 cm tarp profiliø. Taigi galutiniame duomenø masyve viena trasa turi informacijà apie (10x30) cm plotà. Renkant duomenis tokiu tankumu, per dienà dabartinëmis pajëgomis galima iðtirti 0,2 ha plotà. Tyrimø rezultatai Mûriniø statiniø sienø ir pamatø liekanos. Tyrimais Senøjø Trakø piliavietëje buvo padengtas (30x58) m plotas, esantis 20 m á pietus nuo baþnyèios sienos. Vakarinis tiriamojo ploto 130 cm 150 cm kraðtas pasibaigia ties medþiø juosta, ðalia kurios ankstesniais tyrimais buvo aptiktas gynybinës sienos mûras. 2 paveiksle pateikti trys plokðtuminiai pjûviai 110, 130 ir 150 cm gylyje. Juose gerai matyti pagrindinë gynybinë siena, o 9 m atstumu nuo jos yra kitas linijinis objektas, kuris gali bûti siejamas su kita lygiagreèiai einanèia siena. Pjûviuose taip pat matyti skirtingø formø anomalijos (paveiksle parodytos rodyklëmis), kurios greièiausiai rodo kitø buvusiø piliavietës statiniø liekanas. Kitas objektas, kuriame buvo tirtos mûro liekanos, Dubingiø piliavietë. Èia tyrimai buvo atlikti (5,5x26) m plote, dar archeologiðkai neiðtirtoje buvusios baþnyèios pamatø dalyje. 3 paveiksle parodyti plokðtuminiai pjûviai 25, 75, 85 ir 110 cm gylyje. Visuose pjûviuose gerai matyti pagrindinë siena, einanti praktiðkai per tiriamojo ploto vidurá. Taip pat gerai iðsiskiria ir daugiau ávairiø formø anomalijø, siejamø su kitomis baþnyèios konstrukcijomis. Kapavieèiø lokalizavimas. Bandomieji kapavieèiø tyrimai atlikti Klaipëdoje, XIX a. Banduþiø kapinëse, bei to paties amþiaus Smeltës kapinaitëse. Pirmajame objekte buvo iðtirtas (9x14) m plotas, kitame (3x8) m plotas. Abiejø objektø plokðtuminiai pjûviai pateikti 4 pav., o juose uþfiksuotos kapavietës paþymëtos rodyklëmis Dvaro parkø struktûros tyrimai. Uþutrakio dvaro rûmø pietiniame parteryje buvo tiriamas (55x27) m plotas, siekiant nustatyti jame buvusiø apþeldinimø vietas ir ornamentus bei buvusiø takø padëtá. Apatinë tirto ploto dalis ðliejasi prie dvaro rûmø pastato, deðinioji prie eþero kranto. Reikia paminëti, kad dabar visas ðis plotas uþsëtas þole. Plokðtuminiuose pjûviuose

4 GEOLOGIJOS PAÞANGA 25 cm 27 3 pav. Baþnyèios pamatø Dubingiø piliavietëje tyrimø plokðtuminiai pjûviai ávairiuose gyliuose. Fig. 3. Church planar sections done at different depths in the Dubingiai castle site. 75 cm 85 cm 110 cm 8 m 26 m 14 m 3 m 4 pav. Banduþiø (virðuje) ir Smeltës (apaèioje) kapiniø tyrimø plokðtuminiai pjûviai. Fig. 4. Planar sections in the Banduþiai and Smeltë cemeteries in Klaipëda. nuo 10 cm iki 40 cm gylio matyti pagrindinë parterio struktûra, kurià sudaro 4 apskritimo formos apþeldinti plotai, atskirti vienas nuo kito statmenai einanèiais takais. Itin ádomûs 30 cm ir 40 cm gylio pjûviai, kuriuose minëtø apskritimø centre matyti dobilo lapo formos ornamentai, greièiausiai naudoti ankstesniø laikø parko apþeldinime. Be to, 20 cm ir 30 cm gylio pjûviuose iðsiskiria ir daugiau maþesniø apskritimo formos objektø, 5,5 m 9 m kurie atitinka buvusias medþiø sodinimo vietas (5 pav.). Tiriamajame plote gerai iðsiskiria ir ávairios komunikacijos: pagrindinis kanalizacijos griovys, jungiantis 3 kanalizacijos ðulinius, yra apatinëje tirto ploto dalyje ir praktiðkai matomas visuose pjûviuose. Pradedant nuo 20 cm pjûvio, gerai iðsiskiria ir maþesnio skersmens ðiaurës pietø krypties kanalizacijos vamzdis, kuris prasideda ties pat rûmais ir uþsibaigia, tikriausiai, kanalizacijos ðuliniu, kurio pavirðiuje nematyti. Pjûviuose gerai matyti ir drenavimo griovys, einantis kairiuoju ploto pakraðèiu, po to statmenai pasisukantis ir nueinantis eþero link. Pats drenaþo vamzdis labai gerai matyti 60 cm gylio pjûvyje. Poþeminiø komunikacijø lokalizavimas. Viena standartiniø georadaro naudojimo paskirèiø vamzdþiø ir kabeliø lokalizavimas. Tokie tyrimai buvo atlikti virð esamo komunikacijø tinklo Palangoje. Ploto matmenys (15x5) m. Kaip matyti 6 paveiksle, 3D tyrimais vamzdþiø padëtis sëkmingai nustatoma ne tik plokðtumoje, bet ir erdvëje. Detalus geologinis kartografavimas. Tyrimø plotas Klaipëdos-Ðilutës plento 10-ame kilometre. Tyrimø tikslas kartografuoti moreninio priemolio struktûriná pavirðiø, kurá dengia smëlingos nuogulos. Pasirinktas plotas (15 x15) m, profiliai pravesti kas 50 cm. 3D modelis sudarytas (10x50) cm detalumu. Modelyje smëlio ir moreninio priemolio riba labai ryðki, todël po interpretacijos buvo sudarytas struktûrinis moreninio pavirðiaus þemëlapis. Þemëlapis gautas labai detalus ir net tokiame maþame plote matyti ryðkûs morenos kraigo gylio svyravimai: pietvakarinëje ir vakarinëje ploto dalyse yra pakiluma iki 5 m nuo þemës pavirðiaus, o pietrytinëje dalyje yra pailgos formos kraigo pagilëjimas su tása á tirto ploto centrinæ dalá (7 pav.). Apibendrinimai ir iðvados. Pirmieji 3D tyrimai georadaru parodë, kad ðis metodas gali bûti

5 27 m 20 cm 30 cm 60 cm 55 m Kanalizacijos ðuliniai Buvusiø medþiø vietos Apþeldinimo plotai Drenaþo vamzdþiai Fig. 5. Planar sections done at different depths in the Uþutrakis manor site. 10 cm PAÞANGA 5 pav. Uþutrakio dvaro parko tyrimø plokðtuminiai pjûviai ávairiuose gyliuose. GEOLOGIJOS m 5m 6 pav. Poþeminiø komunikacijø tyrimø plokðtuminiai pjûviai ir erdvinë vamzdþiø rekonstrukcija. Fig. 6. Planar sections done according to the investigations of subsurface communications and spatial reconstruction of pipes. sëkmingai taikomas buvusioms statiniø sienoms, pamatams, kapavietëms, vamzdþiams lokalizuoti bei dvarø parkø tyrimams, taip pat sekliam geologiniø sluoksniø kartografavimui. 7 pav. Moreninio priemolio sluoksnio kraigo þemëlapis ir jo atitikmuo erdvëje (dël geresnio vizualumo pasuktas). Fig. 7. The map of till loam roof and its equivalent in the space (turned for better visualisation).

6 GEOLOGIJOS PAÞANGA Archeologiniuose tyrimuose georadaras geriausiai pasiteisino lokalizuojant stambesnes sienø ir pamatø liekanas. Tokio tipo objektai geriausiai iðskiriami tuomet, kai profiliavimo kryptis yra statmena jø tásai. Geri rezultatai gauti ir tiriant kapavietes, taèiau reikëtø atsiþvelgti, kad tirtieji objektai yra palyginti neseni (XIX a.), todël neaiðku ar metodas pasiteisintø senesnëms laidojimo vietoms lokalizuoti. Georadaru itin sëkmingai aptinkami linijiniai inþineriniai objektai, pavyzdþiui, vamzdþiai, kabeliai, drenaþo kanalai. Jø padëtis tiksliai nustatoma ne tik plokðtumoje, bet ir erdvëje. Metodas labai maþai taikytas 3D geologiniams tyrimams, kur jo potencialas yra pakankamai didelis, ypaè atliekant itin didelio detalumo tyrimus smëlinguose gruntuose. Vienas didesniø tokiø tyrimø privalumø, lyginant juos su kasinëjimo darbais, didelis produktyvumas, t.y. per dienà galima iðtirti 0,2 ha plotà. Be abejo, tyrimø georadaru (kaip ir bet kurio kito geofizikinio metodo) rezultatai negali bûti interpretuojami vienareikðmiai, nes panaðias anomalijas gali sukelti tiek archeologiniai, 29 tiek geologiniai ar inþineriniai objektai. Taèiau, mûsø manymu, tokie tyrimai yra tikslingi parenkant optimalias vietas kasinëjimams. Pagrindiniai metodo apribojimai sietini su grunto elektriniu laidumu bei pavirðiaus sàlygomis. Atlikus bandomuosius archeologinius tyrimus pastebëta, kad metodas netaikytinas esant molingam gruntui, o priemoliuose ir priesmëliuose daþniausiai pasiekiamas archeologus dominantis tyrimo gylis. Taip pat pastebëta, kad georadaru gauti rezultatai gerokai iðkreipiami esant nepalankioms pavirðiaus sàlygoms (aukðta þolë, krûmynai). Todël prieð pradedant darbus tikslinga tiriamus plotus paruoðti taip, kad bûtø uþtikrintas kuo geresnis georadaro antenos kontaktas su þemës pavirðiumi. Informatyviausi rezultatai gauti Uþutrakio dvaro parke, kur pavirðius buvo idealus darbui su georadaru. Baigiant norëtøsi pastebëti, kad ðiandien ne visas metodo potencialas yra iðnaudotas. Tyrimø metodika toliau tobulinama, siekiant pagerinti duomenø pozicionavimo, apdorojimo ir vizualizavimo galimybes bei padidinti lauko darbø produktyvumà. Literatûra Conyers, L. B. Ground-Penetrating Radar for Archeology p. Milsom, J. Field Geophysics p. Summary 3D GPR Applications Solving Archaeological, Geological and Engineering Problems In recent years 3D ground penetrating radar (GPR) surveys became one of the most applicable for shallow non-destructive archaeological, engineering and geological prospecting worldwide. However, in Lithuania application of GPR survey was performed only sporadically. The scope of this work was to test potential of 3D GPR surveys for different archaeological objects in various soil conditions in Lithuania. The survey was carried out using Zond-12 (Latvia) GPR with 500 MHz antenna. All investigated objects were covered by 10x30 cm data grid with approximately 2 ha area total. This work provides simplified theoretical material about GPR working basics and methodology. Then there are numerous detailed illustrated examples covering various types of archaeological objects like buried walls (Senieji Trakai and Dubingiai castle sites), ancient burial places (Banduþiai and Smeltë cementries in Klaipëda), remains of manor park past planting settings (Uþutrakis manor), underground communications and geological settings. 3D GPR survey showed good results in detection of the underground objects with survey speeds are up to 0.2 ha per day. Clayey soil prevents high penetration of GPR, so to carry out the survey successfully and get more precise results some requirements are needed, such as fine, plane surface, low or cut vegetation if possible.