Wat?

Hoe werkt het?

De EMI-techniek is een variatie op de gewone weerstandsmeting. Bij een weerstandsmeting wordt de elektrische weerstand van de grond gemeten. De meting geeft aan hoe goed de bodem stroom geleidt. Met de gewone weerstandsmeting wordt de stroom met elektrodes de grond in gestuurd en gemeten. Tijdens een EMI-onderzoek, daarentegen, wordt deze stroom eerst door middel van een elektro-spoel de grond ingestuurd, waarna de weerstand van de bodem wordt gemeten met een andere spoel. Er is dus geen fysiek contact nodig tussen de bodem en het meetinstrument (afbeelding 1).

De afstand tussen en de oriëntatie van de zend- en ontvangstspoel is bepalend voor de diepte tot waarop gemeten wordt. Des te groter de afstand tussen de spoelen, des te dieper de meting gaat (afbeelding 2). Hierbij moet wel opgemerkt worden dat net zoals bij alle andere geofysische technieken, de EMI-methode niet een puntmeting, maar in feite een volumemeting is. Dit betekent dat het meetresultaat afkomstig is van een volume aan bodem onder de spoelen, niet van een specifieke diepte. De gemeten weerstand wordt dus niet gemeten op een bepaalde diepte, maar er wordt gemeten tot een bepaalde diepte, en zelfs dat is maar een vage grens.

Ook moet opgemerkt worden dat EMI-metingen gevoelig zijn voor metaal in de omgeving. Dit komt doordat de stroom die de grond in wordt gestuurd ook een elektromagnetisch veld opwekt. Magneetvelden worden beïnvloed door metaal, en metaal in de buurt van de metingen zal dan ook het opgewekte magneetveld van de EMI-meting beïnvloeden waardoor de meting onbetrouwbaar wordt. De mate van verstoring hangt ook af van de verhouding tussen de grootte van het metaal en de afstand tussen de spoelen. Bij een korte spoelafstand van 50 cm zal een klein stuk ijzer, zoals bijvoorbeeld een hoefijzer, de meting sterk beïnvloeden. Bij een spoelafstand van 4 m zal datzelfde hoefijzer nauwelijks invloed hebben op de meting.

Verdieping X

EMI-instrumenten worden meestal verkocht als apparaten voor het meten van bodemgeleiding. Omdat geleiding en weerstand in wiskundige zin reciproke waarden van elkaar zijn, kunnen de termen weerstand en geleiding met elkaar worden vergeleken. De omrekenformule is:

Weerstand = 1 / Geleiding.

Dit heeft ook een logische verklaring: waar de weerstand hoog is, is de geleiding laag, en waar de weerstand laag is, is de geleiding juist hoog.

Voor het bepalen van de meetdiepte van de EMI moet ook rekening worden gehouden met de spoeloriëntatie. De oriëntatie van de spoelen bepaalt op welke diepte een EMI-meting het meest gevoelig is (afbeelding 3):

• Verticale spoeloriëntatie: Als beide spoelen verticaal georiënteerd zijn, dan heeft de EMI de grootste meetdiepte (de doorgetrokken lijn aangegeven op afbeelding 3). De gevoeligheid van de meting is vlak onder de spoelen laag, waardoor veranderingen in de bovenste bodemlagen weinig invloed hebben. De maximale gevoeligheid van de meting ligt op ongeveer de helft van de spoelafstand en neemt daaronder geleidelijk af.
• Horizontale spoeloriëntatie: Als de beide spoelen horizontaal georiënteerd zijn, is de meetdiepte van de EMI net een beetje anders. De hoogste gevoeligheid is in dit geval juist direct onder de spoelen en neemt daarna snel af (de gestippelde lijn op afbeelding 3). Als vuistregel voor de meetdiepte moet dan de helft aangehouden worden in vergelijking met de verticale spoeloriëntatie

Naast de spoeloriëntatie is ook de gehanteerde frequentie van belang. De stroom die door de zendspoel gaat, is bepalend voor de meetdiepte. Hoe hoger de frequentie, hoe ondieper de meting. De meeste instrumenten werken met een dusdanig lage frequentie, in de orde van grootte van enkele tientallen kHz, dat er van een diepte-effect geen sprake is omdat de variatie in frequentie niet groot genoeg is om een merkbaar verschil in penetratiediepte te veroorzaken.

Wat heb je nodig?

In de basis bestaat een EMI-sensor uit een enkele zendspoel en een enkele ontvangstspoel waarmee tot een specifieke meetdiepte gemeten wordt.

Deze zend- en ontvangstspoelen dienen nauwkeurig gepositioneerd te zijn ten opzichte van elkaar. Het gemakkelijkste om dat te doen met een buis of frame waar de spoelen gefixeerd in geplaatst zijn. Daarom bestaan de meeste EMI-instrumenten uit een langwerpige buis, waarvan de lengte de meetdiepte grotendeels bepaalt (afbeelding 4):

• Instrumenten met een buis van 1 tot 1,5 m worden gebruikt voor metingen tot ongeveer 2 m diepte.
• Instrumenten met een buis van 4 tot 5 m kunnen dieptes van 6 tot 8 m bereiken.

Beide typen worden in de archeologie ingezet, afhankelijk van de benodigde meetdiepte. Voor nog diepere metingen zijn vaste buizen onpraktisch, en wordt in plaats daarvan gebruikgemaakt van losse spoelen die per meting nauwkeurig georiënteerd moeten worden. Deze instrumenten worden in de archeologie niet gebruikt.

Naast de spoelen zelf is er vaak ook een datalogger aan de buis bevestigd. Zaken als de kalibratie van het systeem, de opslag van de data, en het binnenhalen van positiegegevens gaan allemaal via dit apparaat. In het gebruik dient een EMI-instrument regelmatig gekalibreerd te worden. Meestal wordt de kalibratie vanuit de datalogger geregeld en gebeurt dat een paar maal per dag. In uitzonderlijke gevallen moet de kalibratie handmatig gebeuren of zelfs bij de fabrikant gedaan worden.

Meestal wordt EMI-onderzoek verricht in combinatie met een Global Positioning System (GPS)-ontvanger, waarbij de meting en de meetlocatie gelijktijdig opgeslagen worden. Voor locaties waar niet met GPS gemeten kan worden, zijn er ook meestal mogelijkheden om de metingen in een lokaal meetsysteem in te zetten, maar dit is afhankelijk van de gebruikte logger.

Kan worden gebruikt met..

Het grote voordeel van EMI-instrumenten ten opzichte van andere geofysische prospectiemethodes, is de hoge meetsnelheid en technisch eenvoudige inzet. Het instrument is een buis met alles erin en een logger die tegenwoordig meestal met bluetooth met elkaar verbonden zijn. Er zijn geen kabels die defect kunnen raken of door vocht foute contacten maken. Ook hoeven er geen elektrodes in het veld gestoken te worden. Al met al verloopt een EMI-onderzoek daarom relatief heel snel.

EMI-onderzoek vindt in de regel plaats in een handgedragen of gesleepte configuratie. Dit slepen kan handmatig worden gedaan, of door middel van een gemotoriseerd voertuig zoals een quad of tractor (afbeelding 5).

Verdieping X

Recentelijk wordt er ook geëxperimenteerd met EMI onder een drone zodat er gevlogen kan worden. Dit onderzoek bevindt zich daarentegen op dit moment nog in een zeer experimentele fase (afbeelding 6).

Archeologische Toepassingen

Plaats in het archeologisch proces

EMI-sensoren worden voornamelijk in de verkennende fase van de AMZ-cyclus ingezet.

In vergelijking met andere geofysische technieken, zoals weerstandsmetingen, magnetometingen, en grondradar, leveren ze minder scherp begrensde en contrastrijke resultaten op. Structuren zoals muren verschijnen in EMI-data niet als duidelijke, scherp afgetekende lijnen, maar eerder als brede, minder goed te onderscheiden zones. Hierdoor is de methode minder geschikt voor het detecteren van kleine, scherp begrensde archeologische structuren zoals muren of putten.

Toch kan de EMI-techniek behulpzaam zijn in de verkennende fase, omdat het snel een globaal beeld van een groot gebied biedt. Dit maakt het mogelijk om potentiële onderzoekslocaties te identificeren, waarna in de karterende fase met andere geofysische technieken de details in beeld gebracht kunnen worden. In deze inzoomende aanpak is EMI een heel behulpzame onderzoektechniek.

Waar EMI ook heel nuttig voor is, is het in kaart brengen van grotere structuren waar de kleine archeologische sporen nog geen rol spelen. Zo is EMI een zeer geschikte methode om begraven (paleo)landschappen in kaart te brengen. Structuren zoals donken—zand opduikingen onder klei of veen—zijn meestal tientallen meters groot en laten zich met EMI snel en effectief detecteren.

Een andere bijzondere toepassing van EMI binnen alle fasen in de AMZ-cyclus is onderzoek op verharde terreinen, zoals onder bestrating of vloeren (afbeelding 7). In dergelijke situaties kunnen andere methoden problematisch zijn: weerstandsmeters kunnen niet gebruikt worden, omdat elektroden geen contact kunnen maken met de grond. Ook wordt magnetometrie belemmerd door de kans op omgevingsruis. Als er dan ook nog klei is, dan is de grondradar ook niet optimaal. EMI is dan zo’n beetje de laatste mogelijkheid om nog geofysisch onderzoek te kunnen uitvoeren.

Welke typen archeologische materialen/landschappen

Kleine archeologische structuren als muren, waterputten, graven, etc., zijn met EMI lastig individueel op te sporen. Clusters van muren, graven of putten zijn wel te onderscheiden van zones waar die structuren niet aanwezig zijn. Dan kunnen niet de individuele structuren in kaart gebracht worden, maar kan wel een onderzoeksgebied afgebakend worden waar dan inzoomend detailonderzoek gedaan kan worden.

Grotere structuren als grachten en greppelpatronen kunnen daarentegen heel goed met EMI in kaart gebracht worden. Hierbij is het van belang dat de grachten/greppels de kans hebben gekregen om een contrasterende vulling te krijgen. Een gracht in een kleigebied die kort na de aanleg alweer met klei gevuld is, zal nauwelijks een meetbaar contrast opleveren. Ook is het niet altijd een harde wet dat grachten en greppels een lagere weerstand hebben. Afhankelijk van de vulling en de hydrologie, kan een gracht of greppel ook wel eens een hogere weerstand hebben dan de omgeving.

Afbeeldingen 8.1-8.4 geven de onderzoeksresultaten weer van een geofysisch onderzoek naar kasteel Bakersbos in Deil, Gelderland. Deze laten zien dat de inzet van EMI-techniek tijdens de verkennende fase de locatie van het kasteel heeft helpen aanwijzen. Vervolgens brachten gedetailleerde weerstands- en magnetometingen de structuren van het kasteel nauwkeurig in beeld. Dankzij deze inzoomende aanpak kon een gebied van 1,5 hectare in slechts één dag worden onderzocht, waarbij EMI een cruciale rol speelde in het opsporen van de juiste locatie. Let op het verschil in detail: de EMI-metingen geven een globaal beeld, terwijl de weerstands- en magnetometingen scherpere en gedetailleerdere resultaten opleveren.

Afbeelding 8.1: Resultaat van de EMI-meting tot 1 meter onder maaiveld.

Afbeelding 8.2: Resultaat van de weerstandsmeting.

Afbeelding 8.3: Resultaat van de magnetometer metingen.

Afbeelding 8.4: Interpretatie gebaseerd op de verschillende metingen

Heel erg grote structuren zoals donken, rivierlopen, dekzandruggen zijn met EMI heel goed te onderzoeken, zelfs als ze dieper begraven liggen. Dit komt door de grotere omvang van deze structuren en doordat de structuren vaak een duidelijk contrasterende bodemkundige vulling hebben en daardoor goed meetbaar zijn.

Op afbeeldingen hieronder worden de resultaten van een EMI-onderzoek (afbeelding 9.1) vergeleken met een booronderzoek (afbeelding 9.2) op dezelfde locatie. Duidelijk is te zien dat in blauw er een laagte aanwezig is in zowel de weerstand, als in het zand. Op de plekken waar pieken van rood-bruin-paars te zien zijn in de boringen, zijn op de meting ook plekken waar verhoogde weerstand wordt gedetecteerd. De inzet van EMI-onderzoek heeft op deze locatie het aantal boringen flink kunnen reduceren.

Afbeelding 9.1: Resultaat EMI-onderzoek tot 6 m onder maaiveld.

Afbeelding 9.2: Resultaat booronderzoek met de zanddiepte in m NAP.

Beperkingen/onzekerheden

Zoals eerder in deze techniekbeschrijving aangegeven, de grootste beperking is de aanwezigheid van metaal. Metalen hekken, afrasteringen, boombeschermers, loodsen, wapening in betonvloeren, etc., zorgen voor een verstoring van de metingen zodat in die zones geen uitspraak gedaan kan worden over de archeologische betekenis van de metingen. Het is daarom belangrijk om deze metalen objecten goed te noteren in een veldschets. Deze zones zijn daarnaast meestal in de metingen goed herkenbaar door de opvallende overgangen van zeer lage naar zeer hoge weerstand, atypisch voor de andere metingen in het onderzoeksgebied. Een negatieve weerstand is bovendien al een duidelijke aanwijzing dat er iets niet klopt met de metingen, omdat een negatieve weerstand natuurkundig onmogelijk is.

Verdieping X

Deze gevoeligheid voor metaal gaat best ver. Zeker bij de ondiepe EMI-sensoren is een klein beetje metaal al funest voor de meting (afbeelding 10). Als de operator bijvoorbeeld metalen ringetjes aan zijn schoenen heeft, kan dit de meting zodanig verstoren dat er geen bruikbaar archeologisch resultaat verkregen wordt. In dit geval functioneert de EMI meer als een veredelde stappenteller, omdat de metalen ringetjes bij iedere stap voor de spoelen bewegen, daarmee het magneetveld beïnvloeden en de meting onbruikbaar maken.

Casestudies

Referenties/verder lezen

Van Doesburg, J., van der Heiden, M., Waagen, J., van Os, B., & van der Meer, W. (2022). Op zoek naar lijnen: De waarde van elektromagnetische inductie en optische en thermische infraroodbeelden in Siegerswoude (Friesland). Rapportage Archeologische Monumentenzorg 273.

Rensink, E., Theunissen, L., Feiken, R., Bourgeois, J., Deforce, K., van Doesburg, J., Emaus, R., van der Heiden, M., de Jong-Lambregts, N., Karagiannis, N., de Kort, J. W., Liagre, E., van Londen, H., Meylemans, E., Orbons, J., Stichelbaut, B., Terlouw, B., Timmermans, G., Waagen, J., & van Zijverden, W. (2022). Vanuit de lucht zie je meer. Remote sensing in de Nederlandse archeologie. Nederlandse Archeologische Rapporten (NAR) 80.