Quantitative Interpretation of Magnetic Measurements in Archaeological Prospecting

Pickartz, Natalie Marie ORCID

The non-destructive investigation of archaeological sites with magnetic gradiometry is of great importance for archaeological research since the layout of the complete site can be mapped. However, in most case studies the interpretation solely consists of an image interpretation. This does not exploit the full potential of the method since no quantitative model of the magnetic source bodies, i.e. the archaeological features, is derived. Therefore, we have developed site-specific inversion approaches for a quantitative interpretation of magnetic measurements. The inversion approaches need to be customized to the characteristics of the features to reduce ambiguity and consequently be able to yield suitable results. This thesis targets two archaeological sites with each a specific inversion approach. The site Maidanetske (Ukraine; ~ 3950 - 3650 BCE) belongs to the Chalcolithic Cucuteni-Tripolye culture. The site comprises remains of approx. 3000 houses, that are mostly burned. Forward calculations of documented finds identify the burned clay (daub) as source of the magnetic anomalies. The daub is concentrated in a distinct depth range and the characteristics of this layer are used as a priori information in the inversion computations. We neglect the magnetization of the surrounding material under the assumption of a much smaller magnetization than in the burned layer. Moreover, we restrict the depth range of the magnetized layer to the depth range of the daub layer. Via inversion computations the magnetization of this layer is calculated. The magnetization distribution of three excavated buildings is compared to the mass distribution of daub to infer a magnetization-mass-relation. The quantitative interpretation of not excavated buildings then comprises two steps: the calculation of the magnetization distribution; and the application of magnetization-mass-relation to infer the total mass. The evaluation of total masses of 45 not excavated buildings indicated two different sets of buildings, possibly related to different construction types. At the Linearbandkeramik site Vráble (Slovakia; ~ 5250 - 4950 cal BCE), the remains of the houses are accumulations of pits forming a longpit at each side of the former building. The pits were dug into the Loess and are filled with material related to the use of the house. Multi-method geophysical measurements were conducted during an excavation as part of the documentation. The joint interpretation of ground penetrating radar and electromagnetic induction measurements enabled us to image the bottom of the pits with their distinct microtopography related to their evolution. The geophysical measurements show that the bottom of the pits is in greater depth than expected due to the archaeological excavation. Moreover, we show that the observed magnetic anomalies can not be explained solely by induced magnetization. This conclusion is derived from forward calculations of two-dimensional susceptibility distributions that were measured downhole alongprofiles of densely spaced drillings crossing the pits. We derive the remanent magnetization with an inversion approach based on the susceptibility distribution. The remanent magnetization is described by the Koenigsberger ratio. For the six coring profiles, the mean Koenigsberger ratio varies between 1.8 and 7.0 with most values smaller than 4.0. Considering geoarchaeological data, the source of the remanent magnetization is determined as magnetotactic bacteria that increase the amount of ferrimagnetic iron compounds in the pit filling.

Die zerstörungsfreie Erkundung archäologischer Fundorte mit magnetischen Gradiometermessungen ist von großer Bedeutung für die Archäologie, da diese ermöglichen einen Gesamtplan des Fundorts zu erstellen. Bislang beschränkt sich in vielen Fallbeispielen die Auswertung auf die Bildinterpretation der kartierten Messwerte. Dies schöpft nicht das volle Potential der Magnetik aus. Es fehlt die Bestimmung eines quantitativen Modells der magnetischen Störkörper, d.h. der archäologischen Befunde. Die hier erarbeiteten Inversionskonzepte, angepasst an den jeweiligen Fundort, zur quantitativen Auswertung der Messungen nutzen dieses vernachlässigte Potential. Die Inversionsrechnungen müssen die Charakteristika der jeweiligen archäologischen Überreste beachten, um die Mehrdeutigkeit magnetischer Messungen einzuschränken. Diese Arbeit untersucht zwei archäologische Fundorte mit unterschiedlichen Befunden. Der Fundort Maidanetske (Ukraine; ~ 3950 - 3650 BCE) gehört zur kupferzeitlichen Cucuteni-Tripolye Kultur. Er umfasst die Überreste von etwa 3000, meist verbrannten, Häusern. Mittels Vorwärtsrechnungen der dokumentierten Funde wurde der Brandlehm als Quelle der magnetischen Anomalien bestimmt. Der Brandlehm befindet sich in einem diskreten Tiefenbereich und die Charakteristika dieser Schicht werden als a priori Informationen für die Inversion verwendet. Auf Grund der Annahme, dass die Magnetisierung des umgebenden Materials wesentlich geringer ist als diejenige der Brandlehmschicht, wird erstere vernachlässigt. Der Tiefenbereich der magnetisierten Schicht wird auf denjenigen der Brandlehmschicht begrenzt. Über Inversion wird die Magnetisierungsverteilung dieser Schicht bestimmt. Der Vergleich der Magnetisierungsverteilung dreier ausgegrabener Häuser mit der Massenverteilung des Brandlehms liefert eine empirische Beziehung zwischen diesen Größen. Zur quantitativen Interpretation nicht ausgegrabener Häuser wird zunächst deren Magnetisierungsverteilung berechnet und dann über die Magnetisierungs-Massen-Beziehung die Gesamtmasse bestimmt. Die Auswertung der Gesamtmassen von 45 nicht ausgegrabenen Häusern lässt auf zwei unterschiedliche Gruppen schließen, die möglicherweise auf zwei unterschiedliche Bauweisen hindeuten. Die Überreste der Häuser der linearbandkeramischen Siedlung Vráble (Slowakische Republik; ~ 5250 - 4950 cal BCE), bestehen aus Ansammlungen von Gruben, die sich zu Längsgruben entlang beider Seiten der ehemaligen Gebäude zusammensetzen. Die Gruben wurden in den Löss gegraben und sind nun mit Material verfüllt, das in Bezug zum jeweiligen Haus steht. Als Teil der Grabungsdokumentation wurden Multimethodenmessungen in der Ausgrabung durchgeführt. Die gemeinsame Interpretationvon Bodenradar- und elektromagnetischen Induktionsmessungen ermöglicht die Abbildung der Unterkante der Gruben inklusive deren Mikrotopographie, die die schrittweise Entstehung der Längsgruben belegt. Die geophysikalischen Messungen bestimmen die Unterkante der Gruben in einer größeren Tiefe als in der Ausgrabung erwartet. Außerdem zeigt sich, dass die gemessenen Magnetikanomalien nicht durch ausschließlich induzierte Magnetisierung erklärt werden können. Diese Schlussfolgerung resultiert aus Vorwärtsrechnungen basierend auf zweidimensionalen Suszeptibilitätsverteilungen, die in Bohrlöchern entlang von Profilen aus dicht platzierten Bohrpunkten durch die Gruben gemessen wurden. Die remanente Magnetisierung wird daraufhin über eine Inversion basierend auf der Suszeptibilitätsverteilung bestimmt und durch das Königsberger Verhältnis beschrieben. Für die sechs untersuchten Bohrprofile ergeben sich Werte des mittleren Königsbergerverhältnis zwischen 1.8 und 7.0, wobei die meisten Werte kleiner als 4.0 sind. Mittels geoarchäologischer Daten werden magnetotaktische Bakterien in der Grubenfüllung als Ursache der Remanenz bestimmt, da sie den Anteil von ferrimagnetischen Eisenverbindung erhöhen.

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Pickartz, Natalie: Quantitative Interpretation of Magnetic Measurements in Archaeological Prospecting. 2020.

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