Sub-Bottom Profiler
De Sub-Bottom Profiler (SBP) is een geofysische sensortechniek voor onderwaterarcheologie waarmee een beeld wordt verkregen van de gelaagde opbouw van de ondergrond. Binnen het archeologisch onderzoek wordt de SBP vooral ingezet om afgedekte prehistorische landschappen in kaart te brengen. Daarnaast wordt deze techniek ook toegepast om bekende, door sediment afgedekte vindplaatsen te karteren en te begrenzen.
Wat?
Hoe werkt het?
Een Sub-Bottom Profiler (SBP) is een akoestische techniek. Door middel van een transceiver – een zender/ontvanger – zendt dit systeem geluidsgolven naar de waterbodem, en vangt de gereflecteerde golven weer op. Omdat de geluidsgolven van de SBP een veel lagere frequentie hebben dan die van andere akoestische technieken, kunnen ze dieper in de bodem penetreren. Daar stuiten ze op grenslagen tussen sedimenten met verschillende fysische eigenschappen, wat een weerkaatsing veroorzaakt. Deze gereflecteerde geluidsgolven worden geregistreerd en omgezet in een seismisch profiel (afbeelding 1).

Verdieping X
Seismisch onderzoek met de SBP berust op het principe dat laagfrequente geluidsgolven:
- De ondergrond kunnen binnendringen,
- worden weerkaatst door grensvlakken tussen verschillende sedimentlagen,
- en dat deze reflecties kunnen worden weergegeven in een seismisch profiel.
Of een geluidsgolf (gedeeltelijk) terugkaatst op een grensvlak tussen twee sedimentlagen, hangt af van het verschil in ‘akoestische impedantie’ tussen de lagen. De akoestische impedantie is het product van de voortplantingssnelheid van de geluidsgolf in het sediment en de dichtheid van dat sediment. In een wiskundige notatie ziet dit er zo uit:
akoestische impedantie = v * ρ, waarbij:
v = de snelheid waarmee een geluidsgolf zich voortplant in het sediment
ρ = de dichtheid van het sediment
Wanneer het verschil in akoestische impedantie tussen twee lagen groot is en de overgang abrupt verloopt, resulteert dit in een duidelijke ‘reflector‘ in het seismisch profiel. Dit gebeurt bijvoorbeeld bij een scherpe overgang van zand naar klei of andersom.
Elke keer dat een geluidsgolf reflecteert op een grensvlak, verliest deze een deel van zijn energie. Na de reflectie plant de geluidsgolf zich verder voort naar diepere lagen van de ondergrond. Naarmate de geluidsgolf zich dieper voortplant, neemt het energieverlies toe, waardoor reflectoren op grotere diepte minder scherp zichtbaar worden (afbeelding 2).

Wat heb je nodig?
Een SBP-systeem bestaat uit verschillende onderdelen, met als belangrijkste onderdeel de transceiver (zender/ontvanger). Deze zet elektrische signalen om in akoestische signalen en ontvangt de gereflecteerde signalen.
Er bestaan verschillende soorten SBP-transceivers die kunnen worden ingezet om de gelaagde opbouw van zowel de diepe als ondiepe ondergrond in kaart te brengen. In tabel 1 is een overzicht te vinden van veelvoorkomende SBP-systemen. Voor archeologische doeleinden worden over het algemeen pingers, chirpers, sparkers, en parametrische echoloden gebruikt.

Een belangrijke onderscheidende factor tussen deze systemen is de frequentie die gehanteerd wordt. De penetratiediepte is namelijk afhankelijk van de hoeveelheid energie (uitgedrukt in frequentie) die door het systeem aan de uitgaande geluidspuls wordt meegegeven, en van de eigenschappen en variatie van de sedimenten in de ondergrond (afbeelding 3).

Behalve de frequentie wordt de maximale penetratiediepte ook bepaald door de waterdiepte. Door de zogenaamde ‘multiple‘ – de weerkaatsing van het geluidssignaal tussen de waterbodem en het wateroppervlak – ontstaat een herhaling van het seismische profiel. Hierdoor is de effectieve maximale penetratiediepte in de waterbodem beperkt tot de diepte van het water zelf (in het IJsselmeergebied is dit bijvoorbeeld gemiddeld vier meter).
Verder speelt de verticale resolutie ook nog een rol. De verticale resolutie is de minimumafstand waarbij twee reflecterende laagvlakken in een seismisch profiel nog van elkaar kunnen worden onderscheiden. De frequentie van de geluidsgolf speelt hierbij een cruciale rol: hoe lager de frequentie, hoe groter de golflengte en hoe lager de verticale resolutie. Met andere woorden, bij lage frequenties is het moeilijker om dunne lagen van elkaar te onderscheiden. De relatie tussen frequentie, golflengte, penetratiediepte en verticale resolutie is in onderstaande tabel samengevat (tabel 2).

Naast de transceiver maken de volgende onderdelen een SBP-systeem compleet: een positioneringssysteem en -software, een motion sensor, en een SBP-verwerkingsprogramma. Deze zijn hieronder kort beschreven:
- Positioneringssysteem: Dit dient om de locatie van het schip en de SBP te bepalen. Dit kan een Global Navigation Satellite System (GNSS) zijn, of een Real-Time Kinematic (RTK) GPS.
- Positioneringssoftware: Deze software koppelt de positie van het schip aan de locatiedata van de SBP.
- Motion sensor: Deze registreert de bewegingen van het schip (pitch, roll, heave). Het seismische beeld wordt verstoord door bewegingen van het meetvaartuig. Met de output van de motion sensor kunnen deze bewegingen worden gecorrigeerd en uitgefilterd.
- Verwerkingssoftware: Voor het verwerken, analyseren en interpreteren van SBP-beelden bestaan verschillende softwarepakketten, bijvoorbeeld SILAS, SonarWiz, of MDPS.
Verdieping X
Om hoge resolutie opnamen van de eerste paar meters van de waterbodem te maken is het parametrisch echolood ontwikkeld. Deze speciale SBP maakt gebruik van niet-lineaire akoestiek: dit betekent dat twee hoogfrequente akoestische signalen met minimale frequentieverschillen tegelijkertijd worden uitgezonden. Het verschil tussen deze frequenties (bijvoorbeeld één signaal van 104 kHz en een ander signaal van 100 kHz) leidt tot een laagfrequent signaal (in dit geval 4 kHz). De resulterende frequentie heeft als voordeel dat de zogenoemde “footprint” vele malen kleiner is dan bij andere SBP-systemen. Met andere woorden, het uitgezonden signaal beslaat een kleiner oppervlak van de waterbodem, waardoor de invloed van ruis van omliggende structuren en objecten (de zogeheten ‘side reflections’) kleiner is. Hierdoor kan de bodem dus nauwkeuriger in beeld worden gebracht.
Kan worden gebruikt met..
De SBP kan achter een meetvaartuig gesleept worden aan een kabel, of in een vaste opstelling gemonteerd worden op een meetvaartuig. In het laatste geval is de nauwkeurigheid van de plaatsbepaling hoog.
Archeologische Toepassingen
Plaats in het archeologisch proces
Binnen het archeologisch werkproces (IVO opwater) wordt de SBP voornamelijk gebruikt om vanaf het wateroppervlak de opbouw en gelaagdheid van de bodem in kaart te brengen (KNA protocol 4103, p. 5-7). Daarnaast kan informatie worden verzameld over grotere afgedekte structuren in de waterbodem, zoals bekende scheepswrakken. Bij een bekende vindplaats kunnen resten onder het sediment verscholen liggen die niet ontsloten zijn aan de waterbodem. Onderzoek met een SBP kan bijdragen om dit soort vindplaatsen te begrenzen en te karteren.
Welke typen archeologische materialen/landschappen
De SBP kan worden gebruikt om afgedekte (prehistorische) landschappen in kaart te brengen. Dit kan bijvoorbeeld door het in kaart brengen van opgevulde geulen of gebieden waar veen en humeuze klei aanwezig kunnen zijn. Om fenomenen die in een seismisch profiel worden waargenomen te vertalen naar de geogenese van een plangebied, is kennis van de lokale geologie essentieel. Een booronderzoek is noodzakelijk om de relatie tussen de anomalieën in de seismische profielen en de werkelijke geologische situatie te bevestigen, een proces wat ook wel ‘ground truthing’ genoemd.
Verder kan een SBP worden gebruikt om de locatie en diepteligging van begraven objecten te bepalen. Begraven objecten, zoals bijvoorbeeld blindgangers – niet gesprongen explosieven, veelal afkomstig uit de tweede wereldoorlog – stenen, kabels, en pijpleidingen, met een akoestische impedantie die afwijkt van de nabije omgeving veroorzaken anomalieën in het seismisch profiel. Deze anomalieën worden op seismisch profielen ook wel ‘diffractie hyperbolen’ genoemd. De top van een hyperbool markeert de positie van een begraven puntobject. Uit het gemeten tijdsinterval tussen de waterbodem en de top van de hyperbool kan de diepteligging van het object worden berekend. De aard van een object kan echter niet op basis van alleen de SBP-metingen worden vastgesteld. Daarvoor is aanvullend onderzoek (IVO-onderwater), bijvoorbeeld met een ROV, nodig.
Meer weten?Verdieping X
Alle SBP-technieken resulteren in een enkel seismisch profiel langs de gevaren raai en zijn dus niet vlakdekkend. Het is echter wel mogelijk om een grid van seismische horizonten te genereren door ofwel meerdere transceivers in te zetten, of kleine lijnafstanden (< 2 m) tussen de opnameraaien aan te houden. Door middel van interpolatie kan de ruimte tussen de raaien worden ingevuld om zo een 3D-model te genereren van de opbouw van de waterbodem. Dit model vergemakkelijkt de identificatie en lokalisatie van grotere, samenhangende structuren, alsook eventuele objecten zoals scheepswrakken. Het 3D-model volstaat echter niet voor definitieve identificatie; fysieke validatie met duikers of boringen is essentieel.
Beperkingen/onzekerheden
Een seismisch profiel is niet één-op-één te vergelijken met een lithostratigrafisch profiel. Dit heeft verschillende oorzaken:
- Verschillende soorten sediment kunnen dezelfde akoestische impedantie hebben, waardoor er geen reflectie optreedt op de laagvlakken tussen deze sedimenten.
- Sedimenten die tot verschillende lithostratigrafische eenheden behoren kunnen een overeenkomstige lithologie en akoestische impedantie bezitten, waardoor het grensvlak tussen deze lithostratigrafische eenheden niet als reflector zichtbaar is in het seismisch profiel.
- De overgang tussen verschillende lithostratigrafische eenheden kan zeer geleidelijk zijn, bijvoorbeeld van zand, naar zand met kleilaagjes, naar klei met zandlaagjes naar klei. Ook hier is het grensvlak tussen deze lithostratigrafische eenheden niet als reflector zichtbaar in het seismisch profiel.
- Een lithostratigrafische eenheid kan zeer dun zijn (< 1m) en slechts plaatselijk voorkomen. Een dergelijke lithostratigrafische eenheid kan dan in zijn geheel, samen met een (deel van) een andere lithostratigrafische eenheid deel uitmaken van één seismische eenheid.
Verder zijn er ook verschillende fenomenen die leiden tot “acoustic blanking”, een attenuatie van het akoestische signaal. Hierbij wordt het grootste deel van het geluidssignaal geabsorbeerd waardoor het signaal van onderliggende lagen en structuren onzichtbaar is in een seismisch profiel. Dit komt onder andere voor bij gas in de waterbodem, bijvoorbeeld in veenlagen. Ook vormen lagen met stenen en/of grind uitermate sterke reflectoren. Vrijwel alle energie wordt opgenomen in het gereflecteerde signaal, waardoor er niet of nauwelijks energie overblijft om dieper door te dringen in de bodem. Dit is eveneens een vorm van “acoustic blanking“.
In de regel zijn daarom boorkernen en sonderingen nodig om de seismisch profielen in lithostratigrafische zin te kunnen interpreteren.
In de praktijk wordt de SBP zelden gebruikt om nog onontdekte scheeps- en vliegtuigwrakken op de zeebodem te karteren, vanwege de te grote kans op het missen van begraven objecten. Dit komt doordat met een SBP enkel een profiel wordt verkregen langs de lijn die is gevaren. In tegenstelling tot de SSS en MBES, die wel een vlakdekkend beeld van de bodem bieden, zijn objecten die enkele meters links of rechts van de SBP vaarlijn liggen niet zichtbaar in het seismisch profiel. Hoewel een 3D-systeem hiervoor een oplossing kan bieden, is het gebruik hiervan zeer kostbaar, en daardoor alleen bruikbaar voor kleine (< 1 ha) gebieden.
Referenties/verder lezen
Cassée, R. W., van Lil, R., & Van den Brenk, S. (2023). WFZ IJmuiden Ver V and VI – An archaeological assessment of geophysical survey data. Periplus Archeomare rapport 21A032-01.
Missiaen, T., Slob, E., & Donselaar, M. E. (2008). Comparing different shallow geophysical methods in a tidal estuary, Verdronken Land van Saeftinge, Western Scheldt, the Netherlands. Netherlands Journal of Geosciences — Geologie en Mijnbouw, 87(2), 151–164. https://doi.org/10.1017/S0016774600023192
Van den Brenk, S., & Koelman, M. G. (2016). Geofysische opnamen scheepswrakken Burgzand, Waddenzee. Periplus Archeomare rapport 16A017-01. https://doi.org/10.17026/dans-xvg-3rer, DANS Data Station Archaeology, V2.
Van den Brenk, S. (2023). Geofysisch inventariserend veldonderzoek, scheepsblokkade IJ. Periplus Archeomare rapport 22A003-02.
Van den Brenk, S., & van Lil, R. (2023). Net op Zee IJmuiden Ver (Alpha/Beta/Gamma) – An archaeological assessment of geophysical & geotechnical survey results. Periplus Archeomare rapporten 21A001-02/& 21A0025-02/06.
Van den Brenk, S. (2023). Geofysisch inventariserend veldonderzoek, verdronken stad Reimerswaal. Periplus Archeomare rapport 22A001-01.