Elektrisch Weerstandsonderzoek
Elektrisch weerstandsonderzoek is één van de meest gebruikte geofysische technieken in Nederland. Binnen de AMZ-cyclus wordt deze techniek vooral in de karterende fase van een inventariserend veldonderzoek ingezet. Met elektrisch weerstandsonderzoek op landbodems kunnen ondergrondse archeologische sporen tot een diepte van circa 2 m in kaart worden gebracht.
Wat?
Hoe werkt het?
Bij een elektrisch weerstandsonderzoek wordt de elektrische weerstand van het bovenste deel van de bodem gemeten door elektroden (in de vorm van metalen pinnen) in, of direct op, de grond te plaatsen en het hiermee stroom in de bodem te injecteren. Hierbij wordt niet de weerstandswaarde op één bepaalde diepte gemeten, maar van het bodemvolume. Door systematische metingen uit te voeren langs raaien kunnen zones met afwijkende weerstandswaarden worden gelokaliseerd, die mogelijk verband kunnen houden met archeologische resten. Weerstandsmetingen worden over het algemeen vastgelegd in beelden waarop de geregistreerde weerstandswaarden worden gevisualiseerd met behulp van een grijswaarden- of kleurenschaal (afbeelding 1).
De weerstandswaarde van de bodem wordt voornamelijk bepaald door het vochtgehalte, de grondsoort (poriën en korrelgrootte) en de aanwezige zouten. Doordat water goed geleidt, geeft bijvoorbeeld vochtige klei een lagere weerstandswaarde dan droog zand. Organisch materiaal (in bijvoorbeeld een humeuze grachtvulling) houdt over het algemeen veel vocht vast en heeft daardoor een lagere weerstandswaarde dan de omliggende natuurlijke bodem. Muurresten en funderingen van natuursteen, baksteen of beton, uitbraaksleuven, puinlagen en ophoogpakketten houden weinig vocht vast en hebben juist een hogere weerstandswaarde.
Verdieping X
Bij de uitvoering van een elektrisch weerstandsonderzoek zijn twee dingen van groot belang: de meetdiepte en het meetraster. De meetdiepte wordt bepaald door de afstand tussen de elektroden (de probe separatie). Bij een afstand van 1 m wordt de weerstand gemeten tot ca. 1 m onder het maaiveld. Hoe groter de afstand tussen de elektroden, hoe groter het bodemvolume is dat de meetwaarde bepaalt. Derhalve levert een grotere afstand een lagere resolutie en dus een minder gedetailleerd beeld op. Daarnaast worden alle structuren vanaf het oppervlak tot aan de ingestelde meetdiepte geregistreerd, mits er sprake is van verschillen in weerstandswaarde. Over het algemeen kan de afstand tussen de elektroden (en daarmee de meetdiepte) variëren tussen 0,25 m en 2 m. De diepte-instelling is afhankelijk van de diepte waarop de archeologische resten worden verwacht, de verwachte afmeting van de resten en de diepteligging van de natuurlijke afzettingen.
Omdat een meting op één punt onvoldoende informatie oplevert, zijn meerdere metingen noodzakelijk. Derhalve worden de metingen in een regelmatig raster of grid verricht. De afstand tussen de meetpunten in het grid kan vooraf worden bepaald, afhankelijk van de grootte van de te verwachten archeologische resten. Voor het in kaart brengen van de ondergrondse restanten van een kasteel volstaat meestal een 1 x 1 m meetraster, terwijl voor kleinere structuren, zoals greppels en begravingen een dichter meetraster van 0,5 x 0,5 m noodzakelijk kan zijn.
De meetsnelheid is sterk afhankelijk van het gebruikte grid. Met een 1 x 1 m grid kan maximaal 0,5 ha op een dag met het looprek en maximaal 2 ha met een handkar worden onderzocht. Met een 0,5 x 0,5 m grid wordt de hoeveelheid metingen verviervoudigd en kan ca. 0,15 ha per dag met het looprek en 0,5 ha met de handkar worden onderzocht. Daarnaast wordt de meetsnelheid beïnvloed door eventuele obstakels in het veld, zoals sloten, bomen enz. en door het grondgebruik. Een grasveld is makkelijker te meten dan een veld met maisstoppels waarachter de kabels kunnen blijven haken. Dit kan de snelheid van het onderzoek vertragen.
Wat heb je nodig?
Voor een elektrisch weerstandsonderzoek is specifieke apparatuur nodig, bestaande uit de verschillende elektroden (of probes) en een meetinstrument dat zowel de elektriciteit levert als de weerstandswaarden meet en registreert (afbeelding 2). De metingen van een elektrisch weerstandsonderzoek bestaan uit een lijst met meetpunten (binnen een ingesteld grid) met de gemeten weerstandswaarde (uitgedrukt in Ohm-m). Er zijn verschillende geofysische softwarepakketten, zoals Geoplot, Snuffler, of Terrasurveyor, waarmee deze data kan worden bewerkt tot een rasterbeeld.
Kan worden gebruikt met..
Elektrisch weerstandsonderzoek kan worden uitgevoerd met verschillende platformen. De meest gebruikte zijn looprekken met elektroden die handmatig in de grond worden gestoken (afbeelding 3, links). Recentelijk worden elektrische weerstandsmetingen ook met karretjes uitgevoerd, waarbij wielen met elektroden het looprek vervangen (afbeelding 3, rechts). Deze karretjes kunnen zowel door een persoon als door een voertuig worden voortgetrokken. Een groot voordeel is een hogere meetsnelheid (en dus meer oppervlakte per dag). Daarnaast kunnen andere instrumenten, zoals een magnetometer en/of een GNSS antenne, op deze karretjes worden gemonteerd en gelijktijdig worden gebruikt. Een nadeel van een handkar is dat je minder vrijheid hebt om de probe separatie te bepalen, omdat met een handkar alleen met een probe afstand van 0,75 of 1,25 m gemeten kan worden.
Naast het meten van grondoppervlakten in twee dimensies bestaat ook de mogelijkheid om verticale profielen en diepte informatie te verkrijgen door het plaatsen van meerdere elektroden in een lijn en daarmee op verschillende dieptes te meten: Electrical Resistivity Tomography (ERT) onderzoek (afbeelding 4). Het nadeel van dit onderzoek is de lage snelheid en hogere complexiteit van de metingen.
Verdieping X
Bij een elektrisch weerstandsonderzoek zijn er verschillende manieren waarop de elektroden kunnen worden geplaatst, zogenaamde configuraties. In de Nederlandse archeologie wordt de Twin-Probe configuratie het meest toegepast. In dit geval is het looprekje via een lange elektriciteitskabel verbonden met twee extra elektroden buiten het te onderzoeken gebied. Deze configuratie heeft een aantal voordelen tegenover andere configuraties: er kan sneller worden gemeten door in een zigzag patroon te lopen, de metingen worden minder beïnvloed door geologische variatie in de ondergrond en afwijkingen manifesteren zich als een enkele piek in plaats van meerdere pieken.
Er zijn een paar andere configuraties waarvan Wenner en Square ook nog wel eens in de archeologie worden gebruikt:
– Wenner: waarbij alle vier probes in een rij aan het rekje zitten. Deze optie is langzamer doordat de probes in dezelfde oriëntatie moeten blijven. Belangrijker is dat Wenner veel complexere resultaten geeft omdat alle pinnen over de archeologie bewegen en je hierdoor meerdere pieken over dezelfde afwijking krijgt. Op complexe sites kan dit problematisch zijn.
– Square: Hierbij zitten de vier elektroden in een vierkant rekje. Voordeel is dat er geen kabel is tussen de verre elektroden en het meetrek. Ook kunnen verschillende paren worden geselecteerd om te meten. Dit heeft een voordeel met betrekking tot longitudinale afwijkingen (bijvoorbeeld greppels).
Bij een reguliere weerstandsmeting wordt één vaste meetdiepte ingesteld. Met een zogenaamde multiplexer is het mogelijk om gelijktijdig meerdere elektrodenparen, met verschillende afstanden, op het looprek te plaatsen. Zo kan simultaan tot verschillende dieptes worden gemeten.
Archeologische Toepassingen
Plaats in het archeologisch proces
Elektrisch weerstandsonderzoek kan, net als de meeste andere geofysische sensormethoden, worden toegepast in de verkennende en karterende fasen van een archeologische inventarisatie. De verzamelde data levert een overzicht van zones met afwijkende weerstandswaarden op, voorzien van een beschrijving en een interpretatie. Deze kunnen gebruikt worden voor het beter begrijpen van de ondergrondse archeologische sporen, en eventueel nieuw prospectieonderzoek, of gravend onderzoek, informeren.
Meer weten?Verdieping X
Vanwege de traagheid van elektrisch weerstandsonderzoek wordt deze techniek over het algemeen doelgericht (in de karterende fase) ingezet. Dit kan door het combineren van weerstandsonderzoek met andere prospectiemethoden en –technieken, zoals snellere geofysische technieken, booronderzoek, proefputtenonderzoek of proefsleuvenonderzoek. Na een globale inventarisatie van een groter gebied, bijvoorbeeld door oppervlaktekartering of de analyse van luchtfoto’s, kan met elektrisch weerstandsonderzoek ingezoomd worden op specifieke locaties, zoals vondst- of puinconcentraties of gewasmarkeringen. Daarnaast kan ook het gebied tussen opgravingsputten worden onderzocht, bijvoorbeeld om de loop van funderingen of greppels te onderzoeken. Het is echter altijd belangrijk dat de resultaten van elektrisch weerstandsonderzoek in het veld worden aangevuld en getoetst door middel van (prikstok-)boringen of proefputten.
Welke typen archeologische materialen/landschappen
Elektrisch weerstandsonderzoek is inzetbaar in alle omstandigheden waarin het aannemelijk is dat er vochtverschillen waarneembaar kunnen zijn tussen archeologische sporen en de bodem. Of de verschillen kunnen worden waargenomen is sterk afhankelijk van de lokale omstandigheden en de aard van de archeologische sporen (zie tabel).
Elektrisch weerstandsonderzoek levert in ideale omstandigheden scherpe beelden op die zeer goed zijn te interpreteren. Vooral muren en funderingen, diep ingegraven en/of met puin gevulde kuilen, grachten, (kring)greppels, maar ook grafheuvels komen meestal als scherp begrensde structuren naar voren in de meetresultaten. Over het algemeen zijn lijnvormige objecten in de metingen gemakkelijker te herkennen dan willekeurig verspreide grondsporen.
Beperkingen/onzekerheden
Voor elektrisch weerstandsonderzoek zijn er drie beperkingen te onderscheiden: grondcontact, vochtgehalte en snelheid.
Een belangrijke beperking van elektrisch weerstandsonderzoek is dat contact met de bodem moet worden gemaakt door de elektroden in de grond te steken. Daarom is meten op bestrating of oppervlakteverharding niet mogelijk. Ook een opgebrachte laag of een sterk verstoorde bovengrond beperken de weerstandsmetingen.
Aangezien de weerstandswaardes in grote mate worden bepaald door het vochtgehalte, dient elektrisch weerstandsonderzoek idealiter te worden uitgevoerd als de vochtverschillen tussen bodem en archeologische resten het grootst zijn. Daarom zijn perioden van (langdurige) droogte, (hevige) regen en vorst geen geschikte momenten voor elektrisch weerstandsonderzoek.
Tenslotte is elektrisch weerstandsonderzoek tijdrovend in verhouding tot andere geofysische technieken.
Meer weten?Verdieping X
De negatieve invloed op weerstandsmetingen van een opgebrachte laag of sterk verstoorde bovengrond wordt veroorzaakt door de grote gevoeligheid van weerstandsmetingen direct aan het maaiveld. In het geval van oppervlakteverharding of verstoorde bovengrond kan beter voor EMI-onderzoek worden gekozen omdat deze methode beduidend minder gevoelig is voor structuren dicht aan het oppervlak.
Droogte is vooral een probleem bij het uitvoeren van metingen op snel ontwaterende zandgronden (bijv. duingronden), maar ook op andere bodemsoorten in perioden van extreme droogte. Een kleiige ondergrond wordt dan bijvoorbeeld zo hard dat het vaak onmogelijk is om de elektroden contact te laten maken met de ondergrond. Een plotselinge toename van de bodemvochtigheid (stortbuien) kan ervoor zorgen dat de bovengrond extreem geleidend wordt met een verminderde meetdiepte als gevolg. De vorst dient geheel uit de grond te zijn, niet alleen aan het oppervlak maar ook dieper in de bodem om te voorkomen dat de weerstandsmeter vorstlenzen registreert.
Referenties/verder lezen
Bonsall, J., Gaffney, C., & Armit, I. (2014). Preparing for the future: A reappraisal of archaeo-geophysical surveying on Irish National Road Schemes 2001-2010. University of Bradford. https://doi.org/10.13140/RG.2.1.1706.9202
Gaffney, C., & Gater, J. (2003). Revealing the buried past: Geophysics for archaeologists. Stroud.
Heiden, M. van der, & Feiken, H. (Eds.). (2018). Een grafheuvellandschap nader bekeken: Geofysisch en validerend boor- en proefputtenonderzoek van het rijksmonument Wervershoof-Eendenkooi (gemeente Medemblik) (Rapportage Archeologische Monumentenzorg 252). Amersfoort.
Jelsma, J., & Verschoof-van der Vaart, W. B. (Eds.). (2021). Meten of vergeten: Een inhoudelijke evaluatie van de toepassing van geofysisch onderzoek tijdens archeologische prospectie van landbodems (Rapportage Archeologische Monumentenzorg 266).
Leucci, G., & Greco, F. (2012). 3D ERT survey to reconstruct archaeological features in the subsoil of the “Spirito Santo” Church ruins at the site of Occhiolà (Sicily, Italy). Archaeology 2012, 1(1), 1-6. https://doi.org/10.5923/j.archaeology.20120101.01
Schmidt, A. (2013). Earth resistance for archaeologists (Geophysical methods for archaeology v3). Lanham.
Schmidt, A., Linford, P., Linford, N., David, A., Gaffney, C., Sarris, A., & Fassbinder, J. (2016). EAC guidelines for the use of geophysics in archaeology: Questions to ask and points to consider (EAC Guidelines 2). https://europae-archaeologiae-consilium.org/eac-guidlines
Verschoof, W. B. (2014). The Bordeelschans: An archaeological geophysical survey of a sconce from the Eighty Years’ War. FORT, 42, 176-181.