Magnetometrie
Magnetometerprospectie is een niet-invasieve geofysische onderzoeksmethode die in de archeologie kan worden gebruikt om variaties in het magnetisch veld van de aarde, veroorzaakt door archeologische objecten of artefacten onder de grond, op te sporen en in kaart te brengen. Binnen de AMZ-cyclus kan magnetometeronderzoek worden toegepast tijdens de verkennende en karterende fases voor zowel land- als waterbodems om (afgedekte) archeologische structuren in kaart te brengen.
Wat?
Hoe werkt het?
Een magnetometer is een instrument dat wordt gebruikt om de richting en de sterkte van het magnetische veld van de aarde in kaart te brengen, en zo de afwijkingen hierin te meten (afbeelding 1). Deze anomalieën worden veroorzaakt door lokale ijzerhoudende (ferromagnetische) objecten of sedimenten, ook als deze zijn afgedekt in de bodem. Door systematisch raaien op te nemen met een magnetometer kan een magnetisch beeld van de bodem en ondergrond worden gemaakt, zowel voor land- als waterbodems.
Verdieping X
Magnetometerprospectie is gebaseerd op het natuurkundige verschijnsel van magnetisme. Een magneet heeft altijd een noord- en een zuidpool, en het gebied waarin magnetische krachten werken, wordt het magnetische veld genoemd. De aarde heeft een eigen magnetisch veld, dat varieert in sterkte en richting over de aardoppervlakte en door de tijd heen (Breiner, 1999; Philip Kearey, 2002; van Hoek en Leo, 2018).
Anomalieën zijn lokale variaties in het aardmagnetische veld, die veroorzaakt worden door ferromagnetische objecten. Voorbeelden hiervan zijn ijzeren scheepswrakken, niet-ontplofte explosieven, of zelfs geologische structuren vanwege hun mineralogische samenstelling. Bij een magnetische anomalie verandert de totale magnetische veldvector, ofwel, de richting van het magnetische veld. Deze veranderingen kunnen worden gemeten en geanalyseerd om de locatie en aard van de anomalie te bepalen (afbeelding 2) (Marine Magnetics Corp, 2007; Philip Kearey, 2002; Reynolds, 2011).
Het gebruik van de magnetometer in archeologisch veldwerk volgt vaak een systematische benadering. Geofysici lopen, rijden, vliegen of varen met een magnetometer volgens een lijnenplan in een plangebied, waarbij de magnetometer continu gegevens verzamelt. Een magnetometer registreert verschillende componenten van het magnetische veld, waaronder de totale veldsterkte, de horizontale component en de verticale component (Carbon Trust, 2020). De resulterende gegevens worden gefilterd, geanalyseerd, en gevisualiseerd, met als resultaat een magnetische kaart van de ondergrond. De magnetische waarden worden gemeten in nanotesla (nT).
Wat heb je nodig?
Er bestaat een breed scala aan geschikte maar zeer verschillende instrumenten voor het meten van het aardmagnetisch veld, maar voor de speciale toepassing van archeologische prospectie zijn robuuste, maar ook gevoelige instrumenten nodig die gemakkelijk en snel in het veld kunnen worden bediend (afbeelding 3). In de verdieping is het mogelijk om meer te weten te komen over de verschillende soorten magnetometers.
Naast de magnetometer zelf bestaat het gehele systeem uit meerdere onderdelen die noodzakelijk zijn om deze sensortechniek correct toe te passen. Deze zijn hieronder kort beschreven:
- Positioneringssysteem: Dit dient om de locatie van de magnetometer te bepalen. Dit kan een Global Navigation Satellite System (GNSS) zijn, of een Real-Time Kinematic (RTK) GPS.
- Positioneringssoftware: Dit is noodzakelijk om de locatie van de magnetometer vast te leggen. De resultaten worden gekoppeld aan de data van de magnetometer zelf.
- Software: Voor het verwerken, analyseren, en interpreteren van de data is gespecialiseerde software nodig. Enkele voorbeelden zijn: Oasis Montaj, Sensys Magneto, Geometrics MagPick, TerraSurveyor, Golden Surfer, en Geoplot.
Verdieping X
Er zijn twee soorten magnetometers te onderscheiden in de archeologie, met als primaire verschil het soort informatie dat ze meten en daarmee uiteindelijk bieden over het magnetische veld van de aarde. Deze zijn:
- Gradiëntmeter / vectormagnetometer: Deze meten de richting van het aardmagnetisch veld op een specifieke locatie. Gradiëntmeters zijn breed toepasbaar omdat ze redelijk bestendig zijn tegen magnetische interferentie van moderne metaalhoudende structuren. Hoewel ze op de meeste plekken in de wereld gevoelig genoeg zijn om archeologische sporen in kaart te brengen, kunnen ze in Nederland soms niet gevoelig genoeg zijn om sporen te onderscheiden omdat het contrast tussen de natuurlijke bodem en de archeologie hier over het algemeen vrij laag is. Deze apparaten kunnen wel worden gebruikt met gemotoriseerde voertuigen (mits voorzien van magnetische afscherming) en zo snel grote gebieden onderzoeken. Voorbeelden van dit type instrument zijn onder andere de Förster Ferex, Lea-MaxX Fluxgate of Bartington gradiëntmeter.
- Totaalveld-magnetometers: Deze meten de totale sterkte of intensiteit van het aardmagnetisch veld op een specifieke locatie. Ook geven deze magnetometers soms meer informatie over het type of compositie van het archeologische object. Totaalveld-magnetometers staan erom bekend gevoeliger te zijn, en hebben vooral in Nederland in case studies betere resultaten opgeleverd. Door deze hogere sensitiviteit worden deze instrumenten gemakkelijker verstoord door magnetische interferentie van moderne, metaalhoudende objecten of structuren. Een van de nadelen van dit type magnetometer is dat je deze instrumenten alleen handmatig kunt gebruiken, en is het niet mogelijk om bijvoorbeeld naast een bouwplaats of snelweg onderzoek te doen. Voorbeelden van dit type instrument zijn onder andere de caesium magnetometers van Scintrex of Geometrics.
De beslissing om een bepaald magnetometersysteem te gebruiken moet dus zorgvuldig worden afgewogen tussen de voor- en nadelen van elk systeem, en dit zal sterk afhangen van de situatie en het specifieke doel van het onderzoek. Belangrijk is in ieder geval een gevoeligheid van minimaal 0.1 nT en een sondeafstand van 50 cm, omdat dit een resolutie van 50 x 25 cm geeft die geschikt is om de meeste archeologische sporen in kaart te brengen.
Kan worden gebruikt met..
Landbodems
Er zijn verschillende platformen die gebruikt kunnen worden bij het onderzoek op landbodems.
Over het algemeen kunnen magnetometers met de hand gedragen worden, met als nadeel dat het gebied dat per dag in kaart gebracht kan worden vrij beperkt is. Bij grotere gebieden wordt dan ook vaak gekozen voor een rijdende gradiëntmeterinstallatie getrokken door een voertuig (afbeelding 4). Wel is het van belang om hierbij maatregelen te treffen om mogelijke interferentie tegen te gaan.
Op dit moment worden er ook onderzoeken gedaan met drones in combinatie met magnetometers. Dit zit nog in een experimentele fase. Vanwege de mogelijke interferentie, de afstand tussen de grond en de sensor, als ook de kanteling van de sondes in de sensor zelf, doet zich een zeker verlies van gevoeligheid voor. In verband met het relatief lage magnetische contrast tussen de ondergrond en de archeologie in Nederland is drone-magnetometrie maar in bepaalde omstandigheden te gebruiken.
Waterbodems
Voor onderzoek op waterbodems wordt een magnetometer gesleept aan een kabel achter een meetvaartuig, zo dicht mogelijk boven de waterbodem (afbeelding 5). De lengte van de kabel dient minimaal 5x de lengte van het meetvaartuig te zijn, dit om ongewenste effecten van motoren en het meetvaartuig zelf te voorkomen. Het is belangrijk om de positie, hoogte van de magnetometer ten opzichte van de zeebodem, de oriëntatie van de surveylijnen, en de afstand tussen de surveylijnen nauwkeurig bij te houden.
Archeologische Toepassingen
Plaats in het archeologisch proces
Landbodems
Binnen het archeologisch werkproces (Inventariserend veldonderzoek, Protocol 4006 specialistisch onderzoek) kan de magnetometer ingezet worden om antropogene structuren in de ondergrond in kaart te brengen.
Waterbodems
Binnen het archeologisch werkproces (IVO opwater) wordt de magnetometer gebruikt om vanaf een meetvaartuig anomalieën op en in de bodem in kaart te brengen (KNA Waterbodems protocol 4103, p.5-7). Naast individuele ijzerhoudende objecten zoals ijzeren wrakdelen of kanonnen kan het achtergrondsignaal variaties in de samenstelling van de bodem in kaart brengen, waardoor bijvoorbeeld afgedekte en opgevulde prehistorische geulsystemen zichtbaar worden.
Welke typen archeologische materialen/landschappen
Magnetometeronderzoek is geschikt voor een breed scala aan archeologische bevindingen. Aan vuur gerelateerde structuren, zoals ovens, zijn heel makkelijk op te sporen. Er kunnen echter ook magnetische sporen worden gevonden in organisch materiaal door de aanwezigheid van bacteriën. Zo kunnen kuilen, paalgaten en greppels goed in kaart gebracht worden, maar alleen als de grond voldoende contrasteert met de archeologie. Afhankelijk van de gebruikte stenen kunnen ook funderingen van gebouwen worden gevonden. Graven, holtes en sommige funderingen zijn met de magnetometer moeilijk in kaart te brengen.
Beperkingen/onzekerheden
Nederland staat erom bekend dat op landbodems moeilijk resultaten zijn te bereiken omdat het contrast tussen de archeologie en de natuurlijke ondergrond vaak heel laag is. De relatie tussen bodemtype en magnetische susceptibiliteit (de mate waarin een materiaal magnetisch wordt) is heel complex en hangt af van verschillende factoren die tijdens de bodemvorming een rol spelen: klimaat, materiaal, zwaartekracht en topografie, water, fauna en flora, en antropogene activiteiten. Er is op dit moment nog niet complete zekerheid te geven over in welke landschappen en op welke bodemtypes magnetometerprospectie succesvol kan zijn.
Meer weten?Verdieping X
Magnetometeronderzoek wordt niet beïnvloed door vocht, zoals regen of een natte bodem, maar wel door hoog grondwater dat gedurende de decennia de magnetische mineralen wegspoelt. Het magnetische contrast tussen archeologie en bodem kan wel worden ingeschat door middel van een kappameter die de magnetische susceptibiliteit meet met een gevoeligheid van 1 x 10-6 SI of 1 x 10-7 SI. Hiervoor is wel direct contact met de grond noodzakelijk, waardoor dit dus niet mogelijk is met drone-magnetometer onderzoek.
Een belangrijke factor voor duidelijke resultaten uit de survey is de te verwachten archeologie. Een sterk magnetisch signaal, zoals het verbrand residu van een oven, kan in elke bodem in kaart worden gebracht. Om greppels of putten met organisch materiaal te onderscheiden die vanwege de overblijfselen van bacteriën licht magnetisch zijn, moet er sprake zijn van voldoende contrast met de grond. Een archeologische structuur kleiner dan 25 cm is meestal moeilijk in kaart te brengen, terwijl structuren groter dan 50 cm vaak goed te zien zijn, mits er voldoende contrast is. De diepte van de structuur in de bodem is ook belangrijk. Magnetometers kunnen theoretisch vele meters diep meten, maar hoe dieper de archeologie ligt, des te zwakker en breder het signaal wordt. Over het algemeen kan er gesteld worden dat in Nederland anomalieën op meer dan 2 meter diepte waarschijnlijk niet op het meetbeeld te herkennen zijn.
In Nederland blijkt het huidige landgebruik van het onderzoeksgebied ook een belangrijke factor te zijn. Landbouwgrond, en specifiek de soort agrarische producten die worden verbouwd, hebben invloed op de kwaliteit van de metingen. Sporen van landbouwmachines kunnen bijvoorbeeld de archeologie overdekken omdat ze vaak ook als anomalie van een paar nanotesla te zien zijn in de meting. Uit ervaring blijkt dat de metingen meer worden verstoord door maïsteelt dan door graanteelt, ook als de gewassen al afgemaaid zijn.
Er zijn wel omstandigheden waar magnetometeronderzoek goed kan werken. Zo werkt het heel goed op heidegebied omdat daar geen storingen zijn door agrarische activiteiten. Om slechte resultaten te voorkomen moet dus door een expert heel goed ingeschat worden welke archeologie in welke bodem is te verwachten en hoe groot de kans is om dit met magnetometers op te sporen. Verder kunnen externe magnetische interferenties, zoals motoren en hoogspanningskabels, de metingen verstoren. Het filteren van de ruwe data tot bruikbare data is specialistisch werk. Ondanks deze beperkingen blijft de magnetometer waardevol voor archeologisch onderzoek, mits men bewust is van en rekening houdt met deze limieten.
Casestudies
Ben je nieuwsgierig naar hoe magnetometrie al met succes is ingezet voor archeologisch veldonderzoek? Klik dan op de tegels hieronder om naar de casestudies te gaan waarin deze innovatieve sensortechniek wordt toegepast!
Referenties/verder lezen
Aspinall, A. Gaffney, C. Schmidt, A. (2008) Magnetometry for Archaeologists, Altamira Press 208 pp.
Fassbinder, J.W.E. (2015). Seeing beneath the farmland, steppe and desert soils: magnetic prospecting and soil magnetism. J. Archaeological Science, 56, p. 85-95.
Fassbinder, J.W.E. (2016). Magnetometry for Archaeology. In: Encyclopedia of Geoarchaeology, Springer Verlag, p. 499-514.
Jelsma, J., Verschoof-van der Vaart, W.B. (2021). Meten of vergeten: Een inhoudelijke evaluatie van de toepassing van geofysisch onderzoek tijdens archeologische prospectie van landbodems, Rijksdienst voor het Cultureel Erfgoed.
Kattenberg, A.E. (2008). The Application of Magnetic Methods for Dutch Archaeological Resource Management, Amsterdam Institute for Geo and Bioarchaeology.
Lambers, L.S.L., Fassbinder, J.W.E., Lambers, K. & Bourgeois, Q.P.J. (2017). The Iron-Age burial of Epe-Niersen, the Netherlands: results from magnetometry in the range of +/- 1 nT. Jennings B., Gaffney C., Sparrow T. & Gaffney S. (red.), 12th International Conference of Archaeological Prospection. International Conference on Archaeological Prospection 12 september 2017 – 16 september 2017. Oxford: Archaeopress. 132-134.
Lambers, L.S.L., Laan, W., De Smedt, P., Ullrich, B., Kniess, S., Zoellner, H., … van Wijk, I. (2021). A geophysical multi-method approach to investigate the archaeological landscape of Lanakerveld (NL). ARCHEOSCIENCES-REVUE D ARCHEOMETRIE, 45(1), 169–173. https://doi.org/10.4000/archeosciences.9358
Linford, N., Linford, P., Martin, L., & Payne, A. (2007). Recent results from the English Heritage caesium magnetometer system in comparison with recent fluxgate gradiometers. Archaeological Prospection, 14(3), 151–166. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/arp.313
Rensink, E. (2019). Factsheets Archaeologische prospective: Methoden, technieken en strategieën van Inventariserend Veldonderzoek, Rijksdienst voor het Cultureel Erfgoed.
Schmidt, A., Linford, P., Linford, N., David, A., Gaffney, C.F., Sarris, A. and Fassbinder, J. (2015) EAC Guidelines for the use of Geophysics in Archaeology: Questions to Ask and Points to Consider. EAC Guidelines 2. Namur, Belgium: Europae Archaeologia Consilium (EAC), Association Internationale sans But Lucratif (AISBL). ISBN 978-963-9911-73-4. 135p. http://hdl.handle.net/10454/8129
Scollar, I., Tabbagh, A., Hesse, A., Herzog, I., (1990). Archaeological prospecting and remote sensing. 1990, 674pp
Stele, A. Kaub, L. Linck, Schikorra, M. and Fassbinder, J.W.E. (2023) Drone-based magnetometer prospection for archaeology, Journal of Archaeological Science, Vol. 158, https://doi.org/10.1016/j.jas.2023.105818
Van den Brenk, S. en R. van Lil, (2021). Inventariserend Veldonderzoek (opwaterfase) Magnetische lineaties en inventarisatie wrakresten IJsselmeer en Markermeer. Periplus Archeomare rapport 20A015-04
Van den Brenk, S., (2023). Geofysisch inventariserend veldonderzoek, verdronken stad Reimerswaal. Periplus Archeomare rapport 22A001-01
Van den Brenk, S., H. Huisman, N.W. Willemse, B. Smit, en B. J.H. van Os, (2023). Magnetometer mapping of drowned prehistoric landscapes for Archaeological Heritage Management in the Netherlands. Archaeological Prospection. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/arp.1925.
Van den Brenk, S., Cassée, R., in voorbereiding. Magnetometeronderzoek kavels Almere. Periplus Archeomare rapport 23A034-01