Skip to main content

Γρηγόρης Ν. Τσόκας – Παναγιώτης Ι. Τσούρλος ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΗΣΗ ΘΑΜΜΕΝΩΝ ΑΡΧΑΙΟΤΗΤΩΝ ΜΕ ΓΕΩΦΥΣΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΥΣ

Γρηγόρης Ν. Τσόκας – Παναγιώτης Ι. Τσούρλος

ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΗΣΗ ΘΑΜΜΕΝΩΝ ΑΡΧΑΙΟΤΗΤΩΝ ΜΕ ΓΕΩΦΥΣΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΥΣ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Οι μέθοδοι γεωφυσικής διασκόπησης του υπεδάφους, εκτός της αναζήτησης κοιτασμάτων οικονομικής σημασίας για την οποία αναπτύχθηκαν και των γεωλογικών μελετών, εφαρμόζονται και στην εξερεύνηση αρχαιολογικών χώρων. Η χρήση τους γίνεται πρωτίστως με σκοπό τον εντοπισμό και τη χαρτογράφηση θαμμένων αρχαιοτήτων. Για το λόγο αυτό αναπτύχθηκαν ιδιαίτερες τεχνικές πρόσκτησης, επεξεργασίας και ερμηνείας των δεδομένων, ανεξάρτητα από τα άλλα πεδία εμπλοκής της συγκεκριμένης επιστημονικής οντότητας. Από δε τις αρχές της δεκαετίας του 1990, η έρευνα επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη μεθόδων απεικόνισης του υπεδάφους. Το αποτέλεσμα είναι ότι σήμερα διαθέτουμε μεθόδους που είναι σε θέση να δώσουν απεικονίσεις του υπεδάφους, οι οποίες παράγουν εντυπωσιακά αποτελέσματα σε ορισμένες περιπτώσεις.

Είναι φανερό ότι οι γεωφυσικές μέθοδοι διασκόπησης επικουρούν την αρχαιολογική έρευνα προσφέροντας συνήθως εικόνα των θαμμένων αρχαίων αρχιτεκτονικών λειψάνων ή των θαμμένων κατασκευών σε μια περιοχή. Συνεπώς το αποτέλεσμά τους οδηγεί στην πληρέστερη σχεδίαση των ανασκαφών, στη συμπλήρωση των ανασκαφικών δεδομένων και στην επιτάχυνση της έρευνας. Δίνοντας έμφαση στην τελευταία δήλωση, μπορούμε να πούμε ότι με βάση το αποτέλεσμα της γεωφυσικής διασκόπησης, η ανασκαφική έρευνα μπορεί να κατευθυνθεί επιλεκτικά. Επιπλέον, τα όποια συμπεράσματα από την αρχική ανασκαφή, προεκτείνονται στη συνέχεια για όλη την περιοχή που κάλυψε η γεωφυσική διασκόπηση.

Αρχή των υπό συζήτηση μεθόδων είναι το γεγονός ότι οι φυσικές ή ανθρωπογενείς ανομοιογένειες στο υπέδαφος προκαλούν ανωμαλίες σε φυσικά ή τεχνητά πεδία. Η καταγραφή των πεδίων οδηγεί στην ανίχνευση των ανωμαλιών αυτών και επομένως κατ’ αρχή στον εντοπισμό της θέσης των ανομοιογενειών που τις προκάλεσαν. Στη συνέχεια, η μελέτη της μορφής και της έντασης των ανωμαλιών οδηγεί σε συμπεράσματα για τα χαρακτηριστικά των ανομοιογενειών (μορφή, βάθος ταφής, διαφορά τιμής φυσικών ιδιοτήτων με το περιβάλλον). Επιπλέον, μπορούν να κατασκευαστούν προσομοιώματα των υπεδάφιων αυτών δομών ή να γίνει κατ’ ευθείαν απεικόνιση τους.

Γενικά, η εφαρμογή των γεωφυσικών μεθόδων διασκόπησης γίνεται σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα και με μικρό κόστος. Υπό κατάλληλες συνθήκες, είναι δυνατή η διερεύνηση μεγάλων εκτάσεων. Οι μέθοδοι όμως αυτές μπορούν να εφαρμοστούν και για την επίλυση προβλημάτων που αφορούν κινδύνους που απειλούν την αρχαιολογική κληρονομιά όπως μελέτη των συνθηκών έδρασης των μνημείων, καθορισμός των υδάτινων γραμμών ροής που διαπερνούν αρχαιολογικούς χώρους, εντοπισμός ρωγματώσεων και παρακολούθηση της ανόδου υγρασίας σε τοιχοποιίες, κ.α. Επίσης, εφαρμόζονται σε εξειδικευμένα θέματα της αρχαιολογικής έρευνας όπως ο εντοπισμός ταφικών μνημείων ή άλλων κατασκευών που καλύπτονται από την τεχνητή επίχωση που δημιουργεί τους τύμβους, ο εντοπισμός κρυπτών ή ταφών μέσα σε μνημεία, ο εντοπισμός αρχαίων λειψάνων που υπόκεινται νεώτερων αρχαιοτήτων, κ.ο.κ

ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΗΣΗ

Η ηλεκτρική μέθοδος ονομάζεται επίσης και “μέθοδος της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης” ή “μέθοδος συνεχούς ρεύματος”. Συνίσταται στην εισαγωγή ρεύματος στη Γη με τη βοή­θεια δύο ηλεκτροδίων και στην μέτρηση της διαφοράς δυναμικού σε δύο άλλα. Μπορούμε έτσι να έχουμε μια μέτρηση της αντίστασης, η οποία μπορεί να αναχθεί σε τιμή ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης του χώρου που δειγματοληπτείται μέσω μιας μαθηματικής σχέσης.

Τα τέσσερα ηλεκτρόδια που απαιτούνται για τη λήψη μιας μέτρησης της ηλεκτρικής αντίστασης του υπεδάφους διατάσσονται με συγκεκριμένη γεωμετρία. Είναι φανερό, ότι μετακινώντας, ως συμπαγές σύνολο, την τετράδα των ηλεκτροδίων διαδοχικά σε νέες θέσεις, επιτυγχάνουμε την δειγματοληψία της ηλεκτρικής αντίστασης στις αυτές θέσεις. Μπορούμε, στη συνέχεια, μετά από σειρά μαθηματικών διεργασιών, να χαρτογραφήσουμε τις τιμές που έχουμε μετρήσει και να προκύψει έτσι η κατανομή της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης σε όλο το χώρο έρευνας. Οι τεχνικές της ηλεκτρικής αντίστασης χρησιμοποιούνται εδώ και πολλά χρόνια σε ευρεία κλίμακα για να επιλύσουν μια σειρά προβλημάτων υπεδάφιας διασκόπησης που αφορούν σε γεωλογικές, αρχαιολογικές, γεωτεχνικές και περιβαλλοντολογικές μελέτες.

Στο σχήμα (1) φαίνεται ένα τυπικό παράδειγμα μεγάλης έκτασης διασκόπησης κοντά στην Ευρωπό του νομού Κιλκίς. Σε μία τοπογραφική τράπεζα, κοντά στο χωριό, είναι θαμμένα τα λείψανα του τοιχισμένου τμήματος της ομώνυμης αρχαίας πόλης. Η θέση ερευνήθηκε από την κ. Θ. Σαββοπούλου (Εφορεία Αρχαιοτήτων Περιοχής Θεσσαλονίκης), οι ανασκαφές της οποίας έφεραν στο φως σημαντικά ευρήματα. Στο χώρο λοιπόν πραγματοποιήθηκε γεωηλεκτρική διασκόπηση[1], δηλαδή, εισήχθηκε ρεύμα στη Γη και χαρτογραφήθηκε η κατανομή της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης. Οι μετρήσεις πεδίου υπέστησαν κατ’ αρχή μια σειρά αναγωγών και στη συνέχεια μια σειρά μαθηματικών διεργασιών. Η επεξεργασία αυτή περιελάμβανε αποκοπή των χαμηλών κυματαρίθμων μετά από ανάλυση Fourier, εξομάλυνση ακραίων τιμών με εφαρμογή φίλτρου γεωμετρικού μέσου όρου, συμπίεση του δυναμικού εύρους των τιμών, διεύρυνση του πίνακα μετρήσεων με παρεμβολή κυβικών συναρτήσεων και τέλος μετασχηματίστηκε σε εικόνα τόνων του τεφρού χρώματος. Ακολούθησε μια άλλη σειρά διεργασιών στην εικόνα πλέον, όπως εφαρμογή αλγορίθμων για να τονιστούν οι γραμμικές τάσεις και να εμφανιστούν οι ανωμαλίες συμπιεσμένες ως προς την χωρική τους έκταση. Η κατανομή της ειδικής αντίστασης αντανακλά την ύπαρξη θαμμένων λειψάνων θεμελιώσεων. Το τελικό αποτέλεσμα του σχήματος (1) δίνει κατά κάποιο τρόπο μια κάτοψη των θαμμένων ερειπίων, όπως αυτή θα μπορούσε να είχε σχεδιαστεί αν είχε προηγηθεί ανασκαφή. Ο χώρος αυτός αποτελούσε καλλιεργήσιμες εκτάσεις που σήμερα έχουν απαλλοτριωθεί.

Ένα ακόμη παράδειγμα ηλεκτρικής διασκόπησης φαίνεται στο σχήμα (2). Πρόκειται για τοποθεσία κοντά στον Καραβόμυλο της Φθιώτιδας[2], η οποία εξερευνήθηκε στο πλαίσιο των αρχαιολογικών ερευνών, όταν αρχαιότητες απεκαλύφθησαν τυχαία κατά τη διάνοιξη της αύλακος του αυτοκινητοδρόμου Αθηνών – Θεσσαλονίκης. Ο χώρος ανήκει στο συγκρότημα του αρχαίου Αχινού, ευρίσκεται δε κοντά στα ερείπια της αρχαίας ακρόπολης. Το γεωφυσικό αποτέλεσμα δείχνει πολλές ευθύγραμμες ανωμαλίες υψηλών αντιστάσεων, οι οποίες συναρθρώνονται σχηματίζοντας σχήμα το οποίο παραπέμπει σε κάτοψη κτηριακού συγκροτήματος. Επιπλέον, στη βόρεια πλευρά του συστήματος αυτού των ανωμαλιών εμφανίζεται καμπύλη διάταξη των υψηλών αντιστάσεων, πράμα που μας αντανακλά την ύπαρξη αντιστοίχου σχήματος δομής στο υπέδαφος, η οποία ερμηνεύτηκε ως θεμέλιο αψιδωτής κατασκευής. Στο σχήμα (3) φαίνεται και η κάτοψη των αρχαιοτήτων που αποκαλύφθηκαν μετά τη γεωφυσική έρευνα και σε υπέρθεση στο αποτέλεσμα της διασκόπησης (σχ. 2). Τα οικοδομικά λείψανα που ήρθαν στο φως από την αρχαιολογική σκαπάνη ανήκουν σ’ ένα αρχαίο συγκρότημα λουτρών.

Σχ. 1. Τα θαμμένα αρχαία λείψανα του τοιχισμένου τμήματος της αρχαίας Ευρωπού (Ν. Κιλκίς), ως αντιστατικές δομές μέσα σε αγώγιμο περιβάλλον (τον αργιλικό σχηματισμό που τις φιλοξενεί) προκαλούν ανωμαλίες στην κατανομή της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης στο υπέδαφος. Η κατανομή της φυσικής αυτής ποσότητάς χαρτογραφείται στο συγκεκριμένο σχήμα, μετά από μια σειρά μαθηματικών διεργασιών. Οι αρχαιότητες αποδίδονται ως μορφές που απεικονίζονται με τους σκούρους τόνους του τεφρού χρώματος. Με άλλα λόγια, στην εικόνα φαίνονται τα λείψανα των θεμελιώσεων τα οποία είναι θαμμένα σε βάθος 0.5 έως 1 m διότι έχουν υψηλότερη αντίσταση από το περιβάλλον (Tsokas et al. 1994) [1].
Σχ. 2. Το αποτέλεσμα της γεωφυσικής διασκόπησης με την ηλεκτρική μέθοδο σε τοποθεσία κοντά στην ακρόπολη του αρχαίου Αχινού (Καραβόμυλος, Φθιώτιδας). Οι αρχικές μετρήσεις πεδίου υπέστησαν επεξεργασία ανάλογη αυτής που αναφέρεται για το παράδειγμα από τη διασκόπηση στο χώρο που φιλοξενεί τα ερείπια της αρχαίας Ευρωπού. Η μορφή των ανωμαλιών παραπέμπει σε κάτοψη κτηρίου πράγμα που μας οδήγησε να τις ερμηνεύσουμε ως προκαλούμενες από τα θαμμένα λείψανα θεμελιώσεως καποιυ κτηριακού συγκροτήματος (Τσόκας και συνεργάτες 2012)[2].
 

Σχ. 3. Οι αρχαιότητες που αποκαλύφθηκαν βάσει του αποτελέσματος της γεωφυσικής διασκόπησης σε τοποθεσία κοντά στην ακρόπολη του αρχαίου Αχινού (Καραβόμυλος, Φθιώτιδας) έχουν αποτυπωθεί σε υπέρθεση πάνω σ’ αυτό (Τσόκας και συνεργάτες 2012)[2]. Οι παρειές των σκαμμάτων που διανοίχθηκαν και οικοδομικά λείψανα που αποκαλύφθηκαν μέσα σ’ αυτά έχουν σχεδιαστεί με κίτρινο χρώμα.

Η αρχή της μεθόδου της μαγνητικής διασκόπησης βασίζεται στον εντοπισμό μεταβολών της μαγνήτισης στο υπέδαφος μέσω της καταγραφής του μαγνητικού πεδίου στην επιφάνεια της Γης και της ανίχνευσης τοπικών ανωμαλιών του. Οι μεταβολές της μαγνήτισης στα διάφορα υλικά του υπεδάφους, η μέσα στο ίδιο υλικό από λιθολογική άποψη, δημιουργούνται λόγω διαφορών στη μαγνητική επιδεκτικότητα ή την παραμένουσα (μόνιμη) μαγνήτιση.

Τα λείψανα της παρελθούσης ανθρώπινης δραστηριότητας έχουν συνήθως διαφορετικές μαγνητικές ιδιότητες από αυτές του περιβάλλοντος που φιλοξενούνται. Επομένως, αλλάζουν σε μικρό γενικά βαθμό το τοπικό μαγνητικό πεδίο. Αυτή η μικρή παραμόρφωση του μαγνητικού πεδίου παρατηρείται σαν μία “ανωμαλία” στις μετρήσεις.

Περιοχές με αυξημένη μαγνήτιση (εξ επαγωγής ή παραμένουσα) σε σύγκριση με αυτή του περιβάλλοντος εδάφους αποτυπώνονται στους χάρτες κατανομής της μαγνητικής επαγωγής (ή της πρώτης κατακόρυφης διαφοράς της κατακόρυφης συνιστώσας της) ως θετικές ανωμαλίες, ενώ περιοχές με μειωμένη μαγνήτιση παρουσιάζονται ως αρνητικές ανωμαλίες. Και τα δύο είδη μαγνητικών ανωμαλιών είναι ενδιαφέροντα στην διαδικασία ερμηνείας των μαγνητικών δεδομένων. Τάφροι, εστίες καύσης, αρχιτεκτονικές δομές ή συγκεντρώσεις οργανικού υλικού μπορούν να δημιουργήσουν ισχυρές (θετικές ή αρνητικές) μαγνητικές ανωμαλίες.

Η εφαρμοσιμότητα της μεθόδου ελέγχθηκε πρώτη φορά στις αρχές της δεκαετίας του 1950 και έκτοτε αποτελεί βασική και κλασική μέθοδο εξερεύνησης αρχαιολογικών χώρων[3].

Ένα παράδειγμα μαγνητικής διασκόπησης δίνεται στο σχήμα (4) και αφορά πάλι την έρευνα στην Ευρωπό. Στους πρόποδες της τοπογραφικής τράπεζας που κάποτε ορθωνόταν τα τείχη της Μακεδονικής πόλης πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις του Γήινου μαγνητικού πεδίου. Το πεδίο μετρήθηκε με πολύ ευαίσθητα μαγνητόμετρα ενώ στην συγκεκριμένη περίπτωση πραγματοποιήθηκαν διαφορικές μετρήσεις, δηλαδή σε κάθε σημείο του χώρου έγιναν μετρήσεις σε δύο ύψη από την επιφάνεια του εδάφους (πρώτη κατακόρυφη διαφορά). H εικόνα του σχήματος προέκυψε μετά από επεξεργασία αντίστοιχη αυτής που περιγράφηκε στις προηγούμενες παραγράφους. Τα δεδομένα υπέστησαν και μια επιπλέον επεξεργασία για την ανόρθωση του μαγνητικού σήματος (Τsokas and Papazachos 1992[4], Tsokas 1993[5]).

Μεταξύ άλλων, παρατηρείται στο σχήμα (4) μια ιδιαίτερα έντονη ανωμαλία στην κατανομή του μαγνητικού πεδίου στο κάτω και αριστερό τμήμα του σχήματος. Το παραλληλόγραμμο που σχηματίζεται με λεπτές μαύρες γραμμές και περιβάλει την ανωμαλία παριστά τις παρειές του σκάμματος που διανοίχθηκε για να ερευνηθεί η αιτία της ανωμαλίας. Η ανασκαφή απέδειξε ότι η ισχυρή ανωμαλία οφείλεται στον κλίβανο κεραμοποιίας του σχήματος (5). Ο κλίβανος ήταν θαμμένος σε βάθος 0.4 m και η έντονη μαγνητική ανωμαλία που δημιουργεί οφείλεται στην έντονη παραμένουσα και επαγόμενη μαγνήτισή του.

 

Σχ. 4. Κατανομή της πρώτης κατακόρυφης διαφοράς του μαγνητικού πεδίου σε θέση του αρχαιολογικού χώρου της Ευρωπού, η οποία ευρίσκεται στους πρόποδες του υψώματος που πάλαι ποτέ περιέβαλαν τα τείχη (Tsokas et al. 1994) [1].
Σχ.5. Ο κλίβανος κεραμοποιίας ο οποίος αποκαλύφθηκε μετά από ανασκαφή την οποία διηύθυνε η κ. Θ. Σαββοπούλου στο χώρο των ερειπίων της αρχαίας Ευρωπού (Ν. Κιλκίς). Η ανασκαφή κατευθύνθηκε επιλεκτικά στο χώρο που παρουσιάστηκε η έντονη γεωμαγνητική ανωμαλία του σχήματος (4). Στη φωτογραφία διακρίνονται επίσης οι παρειές του σκάμματος, οι οποίες σημειώνονται με ένα μαύρο παραλληλόγραμμο στο σχήμα (4).

ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΙ ΡΑΝΤΑΡ ΥΠΕΔΑΦΟΥΣ

Παραδείγματα σαν αυτά που παρουσιάστηκαν παραπάνω υπάρχουν πάρα πολλά τόσο στην ελληνική όσο και στην διεθνή βιβλιογραφία. Η εφαρμογή των γεωφυσικών μεθόδων διασκόπησης κατά την αρχαιολογική εξερεύνηση, αποτελεί κατά ένα μέρος δουλειά ρουτίνας. Το μέρος αυτό αφορά την εφαρμογή της γεωμαγνητικής και της ηλεκτρικής μεθόδου, με την έννοια της χαρτογράφησης, όπως τα παραδείγματα που εκτέθηκαν στην προηγούμενη παράγραφο.

Υπάρχουν όμως και πιο πολύπλοκες και εξελιγμένες γεωφυσικές μέθοδοι όπως το ραντάρ υπεδάφους (Ground Penetrating Radar-GPR) και η γεωηλεκτρική τομογραφία (Ηλεκτρική τομογραφία-ΗΤ, Electrical Resistivity Tomography – ERT). Οι μέθοδοι αυτές, παρ’ ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν και με την έννοια της χαρτογράφησης ακριβώς όπως η ηλεκτρική και η μαγνητική, εφαρμόζονται κυρίως σε ειδικές περιπτώσεις. Επιπροσθέτως, στη γενικότητα η ΗΤ έχει την δυνατότητα πολύ μεγαλύτερης διείσδυσης σε βάθος απ’ ότι οι μέθοδοι χαρτογράφησης ενώ το ραντάρ υπεδάφους είναι ιδανικό για έρευνα σε δομημένο περιβάλλον και εντός μνημείων. Σημαντική διαφορά τους με τις κλασικές μεθόδους είναι ότι είναι σε θέση να δώσουν εκτιμήσεις και για την τρίτη διάσταση, δηλαδή το βάθος ταφής και το πάχος των υπεδάφιων δομών.

Η Ηλεκτρική Τομογραφία (ΗΤ-ERT)

Προηγούμενα, κατά την παράθεση στοιχείων επί της αρχής της μεθόδου της ηλεκτρικής χαρτογράφησης, αναφέρθηκε ότι πρέπει να χρησιμοποιηθούν δύο ηλεκτρόδια ρεύματος (θετικός και αρνητικός πόλος) για τη διοχέτευση ρεύματος στο υπέδαφος. Ταυτόχρονα δε, χρησιμοποιούνται δύο διαφορετικά ηλεκτρόδια (probes) για τη μέτρηση της διαφοράς δυναμικού που δημιουργείται. Όμως, το βάθος, στο οποίο η κάθε μέτρηση μπορεί να «δει» εντός του εδάφους, είναι συνάρτηση της απόστασης μεταξύ των ηλεκτροδίων ρεύματος. Το βάθος αυτό της διείσδυσης της μεθόδου, αυξάνεται όσο μεγαλώνει η απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων ρεύματος.

Επομένως, αν πραγματοποιηθεί μια σειρά μετρήσεων με διάταξη ηλεκτροδίων της οποίας το κέντρο παραμένει σταθερό, αυξάνοντας όμως διαδοχικά την απόσταση των ηλεκτροδίων, μπορούμε να διεισδύουμε επίσης διαδοχικά σε μεγαλύτερα βάθη. Αν τώρα μετά την ακολουθία των διαδοχικών αυξήσεων της απόστασης μεταξύ των ηλεκτροδίων μετακινηθούμε σε νέες θέσεις και επαναλάβουμε τη ίδια διαδικασία, μπορούμε να έχουμε καταγραφή της διακύμανσης της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης του εδάφους της τόσο κατά βάθος όσο και εγκαρσίως. Με άλλα λόγια έχουμε ως αποτέλεσμα την καταγραφή της αντίστασης σε δύο διαστάσεις, την κατακόρυφη και μία οριζόντια.

Η δισδιάστατη ηλεκτρική διασκόπηση που περιγράφηκε παραπάνω, απαιτεί τη συλλογή πάρα πολλών μετρήσεων στην επιφάνεια τους εδάφους. Αυτό γίνεται δυνατό με τη χρήση κατάλληλου αυτοματισμού και συσκευών πολυπλεξίας των ηλεκτροδίων. Κάθε μια ξεχωριστή μέτρηση ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης τοποθετείται κάτω από το κέντρο της συγκεκριμένης διάταξης ηλεκτροδίων που χρησιμοποιήθηκε για να ληφθεί, σε βάθος ανάλογο της απόστασης μεταξύ των ηλεκτροδίων. Αν αυτό γίνει σε κάθε μέτρηση, τότε μπορεί να εξαχθεί μια «ψευδο-εικόνα» που δείχνει την κατανομή μιας ποσότητας που λέγεται «φαινόμενη ειδική ηλεκτρική αντίσταση». Η πρωταρχική αυτή εικόνα λέγεται «ψευδοτομή» και απαιτεί μεγάλο βαθμό εξειδικευμένων γνώσεων για να ερμηνευτεί και στην πλειονότητα των περιπτώσεων η ερμηνεία της είναι ανακριβής.

Όμως, στη συνέχεια, οι μετρήσεις αυτές που παρουσιάστηκαν ως «ψευδοτομή», υπόκεινται σε σχετικά πολύπλοκη μαθηματική διεργασία γνωστή ως «αντιστροφή δεδομένων» που καταλήγει στην παραγωγή απεικονίσεων της κατανομής της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης του υπεδάφους. Για την ακρίβεια, ο όρος «Ηλεκτρική Τομογραφία» περιγράφει την πλήρως αυτοματοποιημένη διαδικασία δημιουργίας μιας εικόνας της «πραγματικής» κατανομής της ειδικής αντίστασης του υπεδάφους με βάση τα δεδομένα των μετρήσεων.

Εφ’ όσον οι αρχαιότητες έχουν διαφορετική τιμή αντίστασης από τον περιβάλλοντα εδαφικό σχηματισμό που τις φιλοξενεί, οι απεικονίσεις που παράγει η ΗΤ δίνουν μια πολύ καλή προσέγγιση της μορφής και του μεγέθους τους.

Η μέθοδος της ΗΤ θεωρείται ως υπέρβαση της κλασικής μεθόδου της ηλεκτρικής χαρτογράφησης και παράγει ως τελικό αποτέλεσμα απεικονίσεις της κατανομής της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης στο υπέδαφος. Στις μέρες μας, έχει αναπτυχθεί έτσι, ώστε να είναι δυνατή η πλήρης τρισδιάστατη συλλογή δεδομένων αλλά και να γίνεται πλήρης τρισδιάστατη «αντιστροφή».

Η ηλεκτρική τομογραφία δεν μπορεί να καλύψει μεγάλες εκτάσεις σε χρονικό διάστημα που να συγκρίνεται με αυτό της εφαρμογής των μεθόδων χαρτογράφησης, παρ’ ότι έχουν γίνει προσπάθειες ανάπτυξης κατάλληλων τεχνικών που θα επέτρεπαν κάτι τέτοιο[6,7,8].

Παράδειγμα ηλεκτρικών τομογραφιών φαίνεται στο σχήμα (6), το οποίο προέρχεται από τον αρχαιολογικό χώρο της Βεργίνας[9]. Στο συγκεκριμένο χώρο είχε προηγηθεί η εφαρμογή της ηλεκτρικής μεθόδου που είχε ως αποτέλεσμα τον εντοπισμό και τη χαρτογράφηση αρχαίων αρχιτεκτονικών λειψάνων. Το τομογραφικό όμως αποτέλεσμα, που είναι στην πραγματικότητα η χαρτογράφηση της τρισδιάστατης κατανομής των ειδικών αντιστάσεων στο υπέδαφος, αποτελεί ένα είδος απεικόνισης της υπεδάφιας κατάστασης.

Σχ.6. Τομογραφική απεικόνιση αρχιτεκτονικών λειψάνων από τοποθεσία κοντά στο θέατρο των αρχαίων Αιγών (Βεργίνα)[8]. Η τομογραφία αποτελεί μία από τις σχετικά τελευταίες μεθόδους που αναπτύχθηκαν για την αρχαιολογική εξερεύνηση, στην ανάπτυξή της οποίας είχε σημαντική συμμετοχή και το Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Γεωφυσικής του Α.Π.Θ.

Το παράδειγμα που ακολουθεί προέρχεται από την έρευνα, η οποία πραγματοποιήθηκε στον μεγάλο τύμβο της Απολλωνίας (Ν. Θεσσαλονίκης)[10] με στόχο την απεικόνιση του εσωτερικού του για να ανιχνευτούν πιθανά κρυμμένα ταφικά μνημεία ή άλλες αρχαίες κατασκευές. Ο τύμβος καθ’ εαυτός είναι μια εντυπωσιακή αρχαία κατασκευή ύψους περίπου 19 m με περίπου κυκλική βάση ακτίνας περίπου 50 m όπως φαίνεται στη φωτογραφία του σχήματος (7). Είναι φανερό, ότι το τύμβος, ως ανθρώπινο κατασκεύασμα, αποτελεί σημαντικό μνημείο των ταφικών εθίμων, των αντιλήψεων και του πολιτισμού της αρχαιότητας και υπ’ αυτή την έννοια προφανώς πρέπει να δασωθεί κατά το δυνατόν. Επομένως, για να αποκαλυφθούν τα όποια ταφικά μνημεία που πολύ πιθανά κρύβονται στο εσωτερικό, πρέπει να υπάρξει κάποια μέθοδος που να τα εντοπίσει έτσι ώστε η ανασκαφή να κατευθυνθεί επιλεκτικά και να μην καταστραφεί όλος ο τύμβος. Είναι φανερό ότι μόνο η γεωφυσική έρευνα μπορεί να προσφέρει αυτή τη δυνατότητα.

Αποφασίστηκε η διεξαγωγή ηλεκτρικών τομογραφιών κατά τις διαμέτρους του τύμβου (σχ. 8) ευελπιστώντας ότι θα αποκτηθούν έτσι διαγνωστικές εικόνες της εσωτερικής δομής του. Η διασκόπηση σχεδιάστηκε έτσι, ώστε να μπορεί να διασκοπηθεί το υπέδαφος μέχρι το βάθος των 20-25 m, λαμβάνοντας υπόψη ότι ο τύμβος έχει μέγιστο ύψος 19 m. Όλες οι μετρήσεις «αντιστράφηκαν» με τη χρήση μαθηματικού αλγορίθμου και αντίστοιχου λογισμικού που αναπτύχθηκε από τον Tsourlos (1995)[11].

Στο σχήμα (9) δίνεται ένα παράδειγμα τομογραφικής απεικόνισης κατά μήκος της γραμμή που σημειώνεται με κίτρινο χρώμα στο σχήμα (8). Η κατανομή των αντιστάσεων στο σχήμα ακολουθεί κλίμακα ανάλογη των χρωμάτων του ορατού φάσματος, δηλαδή τα ψυχρά χρώματα αποδίδουν τις χαμηλές αντιστάσεις και τα θερμά τις υψηλές. Διακρίνεται εύκολα ότι σε βάθος κάτω από τον τύμβο υπάρχει ένας εξαιρετικά αντιστατικός σχηματισμός. Φαίνεται δε, ότι αυτό αναθολώνεται ακριβώς κάτω από την τεχνητή επίχωση που δημιούργησε τον τύμβο. Η σχηματισμός αυτός εικάστηκε ότι αντανακλά τραβερτινικές αποθέσεις, όμοιες με αυτές που εμφανίζονται στην επιφάνεια του εδάφους σε απόσταση περίπου 20 m νοτιοδυτικά του τύμβου που φέρουν μάλιστα έντονα τα ίχνη της λατόμευσης (πιθανά αρχαίας). Γενικότερα, οι εμφανίσεις των ανθρακικών αυτών αλάτων ευθυγραμμίζονται κατά μήκος ενός ρήγματος, το ίχνος του οποίου τέμνει τον τύμβο. Το τελευταίο γεγονός οδηγεί με ασφάλεια στην υπόθεση ότι η τομογραφία εντοπίζει τις ανθρακικές αυτές αποθέσεις (τραβερτίνες) και λόγω της μεγάλης συνοχής τους τις απεικονίζει ως σχηματισμό υψηλών ειδικών ηλεκτρικών αντιστάσεων.

Από την άλλη μεριά, η επίχωση του τύμβου παρουσιάζεται αγώγιμη σε σχέση με τον τραβερτινικό σχηματισμό. Μέσα στην επίχωση, περίπου στο 24ο μέτρο κατά μήκος της τομής, εμφανίζεται καθαρά μια περιοχή υψηλών ηλεκτρικών αντιστάσεων, η οποία μπορεί να ερμηνευτεί ως οφειλόμενη σε πιθανή θαμμένη αρχαία κατασκευή στο εν λόγω σημείο. Μικρότερες ανωμαλίες, οι οποίες ερμηνεύονται με τον ίδιο τρόπο, ευρίσκονται περίπου στο 90ο και το 110ο μέτρο κατά μήκος της τομογραφίας.

Σχ. 7. Φωτογραφία του μεγάλου τύμβου της Απολλωνίας που συνιστά ένα εντυπωσιακό μνημείο. Δεξιά (νοτιοδυτικά) του τύμβου υποδεικνύετε με βέλος η επιφανειακή εμφάνιση αποθέσεων ανθρακικών αλάτων (τραβερτίνες).

 

Σχ. 8. Οι τομογραφίες που διεξήχθησαν στον τύμβο της Απολλωνίας διατάχθηκαν ακτινικά σε σχέση με το τεχνητό τοπογραφικό ύβωμα[10]. Ο τύμβος έχει μέγιστο ύψος 19 m ενώ η βάση του είναι περίπου περιφέρεια κύκλου ακτίνας 50 m.
Σχ. 9. Ηλεκτρική Τομογραφία στη διεύθυνση 015185 που σημειώνεται ως κίτρινο βέλος στο σχήμα (7)[10]

Το έτος 2010, η ΙΣΤ’ ΕΠΚΑ (Εφορεία Προϊστορικών και Κλασικών Αρχαιοτήτων) ανέσκαψε[12] το συγκεκριμένο σημείο στο 34ο μέτρο κατά μήκος της τομογραφίας, εκεί δηλαδή όπου ευρίσκεται ανωμαλία υψηλών αντιστάσεων. Η ανασκαφή αποκάλυψε συλημένο μακεδονικό τάφο, η πλάγια όψη του οποίου κάτοψη του οποίου έχει υπερτεθεί στην τομογραφία που σχολιάζουμε και παρουσιάζεται στο σχήμα (10).

Σχ. 10. Η ηλεκτρική τομογραφία που παρουσιάστηκε στο σχήμα (8) επί της οποίας ιχνογραφήθηκε σε αδρές γραμμές το περίγραμμα της πλάγια όψης του μνημείου που απεκάλυψε η ανασκαφή της ΙΣΤ’ ΕΠΚΑ[10].

Το Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Γεωφυσικής του ΑΠΘ εφήρμοσε τόσο δισδιάστατες όσο και τρισδιάστατες τομογραφίες για την επίλυση του προβλήματος της εξερεύνησης του εσωτερικού των τύμβων[13,14,15] . Γενικότερα όμως, το συγκεκριμένο ζήτημα αποτελεί μια επιστημονική πρόκληση, η αντιμετώπιση της οποίας αποτέλεσε σημαντικό τμήμα της όλης επιστημονικής προσπάθειας του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Γεωφυσικής του ΑΠΘ. Η ποικιλότητα δε των τύπων των ταφικών αυτών μνημείων δεν επιτρέπει την εφαρμογή κάποιου γενικού πρωτοκόλλου.

Μέγιστη επιστημονική πρόκληση αποτέλεσε η έρευνα στον τύμβο Καστά στην Αμφίπολη, τόσο στο επίπεδο σχεδίασης και διεξαγωγής των μετρήσεων όσο και στην διαμόρφωση του κατάλληλου τρισδιάστατου μαθηματικού αλγορίθμου και του σχετικού λογισμικού για την επεξεργασία τους[16]. Συγκεκριμένα, ακολουθήθηκε πλήρης τρισδιάστατος τρόπος μετρήσεων σε θέσεις ηλεκτροδίων που φαίνονται στο σχήμα (11).

Σχ. 11. Με κίτρινο χρώμα σημειώνονται οι θέσεις των ηλεκτροδίων για την πλήρη τρισδιάστατη απεικόνιση του εσωτερικού του τύμβου Καστά στην Αμφίπολη[16].

Η επεξεργασία των δεδομένων και η ερμηνεία τους ευρίσκονται ακόμη εν εξελίξει κατά τον Απρίλιο του 2017 όπου γράφεται το παρόν δοκίμιο. Τον Σεπτέμβριο όμως του 2017 θα ανακοινωθούν τα αποτελέσματα στο διεθνές συνέδριο του κλάδου στο Branford του Ενωμένου Βασιλείου.

Η μέθοδος GPR

Το υπεδάφιο ραντάρ (ή εν συντομία GPR από τα αρχικά των λέξεων Ground Penetrating Radar) είναι ένας γενικός όρος που ισχύει για τεχνικές στις οποίες χρησιμοποιούνται ραδιοκύματα, συνήθως σε φάσμα συχνοτήτων από 1 έως περίπου 2000 MHz, για την έρευνα της δομής του υπεδάφους. Η μέθοδος χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό και τη απεικόνιση θαμμένων αρχαιοτήτων, για τη διασκόπηση τοίχων και δαπέδων, αλλά και τη διάγνωση της ποιότητας του εσωτερικού αρχιτεκτονικών στοιχειών (π.χ. κιόνων, πυλώνων, κ.ο.κ.) με σκοπό τον εντοπισμό αστοχιών του υλικού. Το GPR χρησιμοποιείται επίσης στην έρευνα για υπόγεια νερά και καθιζήσεις, για εντοπισμό ναρκών και μη εκραγέντων πυρομαχικών, κοιλοτήτων, τούνελ, για εντοπισμό και χαρτογράφηση θαμμένων δικτύων (π.χ. σωλήνες ύδρευσης, δίκτυα αποχέτευσης, δίκτυα τηλεπικοινωνιών).

Συνοπτικά, στη μέθοδο αυτή, ένας ηλεκτρομαγνητικός (Η/Μ) παλμός εκπέμπεται από μια κεραία (πομπό), ο οποίος μερικώς ανακλάται όταν συναντήσει μια ηλεκτρική ασυνέχεια, δηλαδή επιφάνεια που χωρίζει στρώματα με διαφορετικές ηλεκτρικές ιδιότητες, και μερικώς διαδίδεται σε βαθύτερα στρώματα. Τα ανακλώμενα κύματα καταγράφονται σε έναν δέκτη στην επιφάνεια του εδάφους. Τα καταγραφόμενα κύματα περιέχουν πληροφορίες για το υπέδαφος, τις οποίες μπορούμε να εξάγουμε μετά από την κατάλληλη επεξεργασία των σημάτων.

Επίσης, μετρώντας τον χρόνο που μεσολαβεί από την εκπομπή του παλμού μέχρι και τη στιγμή που αυτός καταγράφεται από τον δέκτη, και γνωρίζοντας την ταχύτητά του κατά τη διάδοσή του στα υλικά του υπεδάφους, είναι δυνατόν να καθοριστεί η θέση του ανακλαστήρα στο υπέδαφος.

Συνήθως, οι κεραίες κινούνται στην επιφάνεια του εδάφους ως συμπαγές σύνολο και σε κάθε θέση ιχνογραφούμε την καταγραφή του δέκτη με τον άξονα τον χρόνων κατακόρυφο και τον άξονα τον αποστάσεων οριζόντιο. Η απεικόνιση αυτή της καταγραφής σε κάθε θέση λέγεται «ίχνος» (electromagnetic trace). Τοποθετώντας στη συνέχεια τα «ίχνη» το ένα δίπλα στο άλλο δημιουργούμε ένα είδος τομής του υπεδάφους που λέγεται «ραδιόγραμμα». Η κίνηση των κεραιών στην επιφάνεια του εδάφους και τα συνακόλουθα ραδιογράμματα παρουσιάζονται στο σχήμα (12)[17] (Annan, 1992). Στο ίδιο σχήμα φαίνεται και το αναμενόμενο αποτέλεσμα των ανακλάσεων του Η/Μ σήματος τόσο σε συνεχόμενο ανακλαστήρα (‘’bedrock’’ στο σχήμα) όσο και σε περιορισμένη σε έκταση τοπική ανομοιογένεια του εδάφους ( ‘’target’’ στο σχήμα). Είναι φανερό, ότι οι τοπικές ανομοιογένειες προκαλούν φαινόμενα περίθλασης και έτσι παρουσιάζονται στις τομές ως υπερβολικές ανωμαλίες.

Επιπλέον, η μέθοδος του ραντάρ υπεδάφους είναι η πλέον κατάλληλη για έρευνα σε δομημένο περιβάλλον. Μπορεί δηλαδή να εφαρμοστεί για να ερευνηθεί το υπέδαφος κάτω από ασφαλτοστρώσεις ή κάτω από πατώματα μέσα σε μνημεία. Επίσης εφαρμόζεται για διερεύνηση του εσωτερικού τοιχοποιιών με σκοπό να εντοπιστούν και να απεικονιστούν ρωγματώσεις ή να διερευνηθεί η διείσδυση υγρασίας.

Σχ. 12. Σχηματική απεικόνιση εκπομπής Η/Μ παλμών στο υπέδαφος κατά τη συλλογή δεδομένων κατά μήκος μιας όδευσης GPR. Οι κεραίες κινούνται κατά μήκος της όδευσης λαμβάνοντας αποκρίσεις μετά από την ανάκλαση των παλμών σε εκτεταμένο ανακλαστήρα (bedrock-υπόβαθρο) και σε τοπική (target) ανομοιογένεια. Έτσι, δημιουργείται μια τομή με την ηλεκτρομαγνητική απόκριση (εικόνα) του υπεδάφους[1].

Οι φωτογραφία (13) δείχνει μέλη των συνεργείων κατά τη διάρκεια της λήψης δεδομένων στο εσωτερικό του Ι.Ν. της Παναγίας των Χαλκαίων στη Θεσσαλονίκη. Αντίστοιχα η φωτογραφία (14) δείχνει μέλη του συνεργείου να συλλέγουν δεδομένα από κατά τη διασκόπηση του εξωτερικού των τοίχων του Επταπυργίου (Θεσσαλονίκη) .
Τα ραδιογράμματα υπόκεινται σε εξαιρετικά περίπλοκη επεξεργασία ανάλογη με αυτή των σεισμικών καταγραφών που λαμβάνονται κατά την αναζήτηση κοιτασμάτων υδρογονανθράκων. Στο τελικό όμως στάδιο, παρουσιάζονται είτε καθ’ εαυτά τα ραδιογράμματα μετά την επεξεργασία, ή σε μορφή κατανομής πλάτους των ανακλώμενων ΗΜ κυμάτων επί οριζόντιων τομών του υπεδάφους. Η συνάρτηση της ταχύτητας κίνησης των ΗΜ κυμάτων με το βάθος καθορίζεται είτε με καθαρά γεωφυσικές μεθόδους, είτε με βάση τις αρχαιολογικές πληροφορίες για το βάθος ταφής των αρχαιοτήτων και την συνακόλουθη βαθμονόμηση των μετρήσεων

Σχ. 13. Στιγμιότυπο κατά τη διαδικασία λήψης των μετρήσεων GPR μέσα στον Ι.Ν. της Παναγίας των Χαλκαίων.
Σχ. 14. Στιγμιότυπο κατά τη διαδικασία λήψης των μετρήσεων GPR στο Εφταπύργιο.

Τυπικό δείγμα αποτελεσμάτων (ραδιόγραμμα) κατά μήκος μιας όδευσης στο αίθριο του Τεμένους Χάμζα Μπέη (Αλκαζάρ) φαίνεται στο σχήμα (15). Η εικόνα αυτή μας δείχνει μια κατακόρυφη τομή του εδάφους, όπου καταγράφονται οι ανακλάσεις του εκπεμπόμενου σήματος, τόσο σε τοπικές ανομοιογένειες του εδάφους, όσο και σε επίπεδους μεγάλης έκτασης ανακλαστήρες. Όσον αφορά τους επίπεδους ανακλαστήρες, αυτοί εμφανίζονται σε 0,5, 1,0 και 1,6 m βάθος. Ο ορίζοντας σε βάθος περίπου 0,5 m ερμηνεύεται ως η διαχωριστική επιφάνεια κάποιου ανθρωπογενούς στρώματος με το υποκείμενο αργιλικό στρώμα. Αποδείχθηκε μετά από ανασκαφή ότι προέρχεται από την επιφάνεια του αυθεντικού μαρμαρόθετου δαπέδου του αιθρίου του Τζαμιού. Η ισχυρή ανάκλαση σε βάθος 2,0 m περίπου ερμηνεύτηκε ως αντιπροσωπεύουσα τη μετάβαση από τις αργίλους στο υποκείμενο στρώμα του χαλαρού κροκαλοπαγούς. Η ανάκλαση που εμφανίζεται ενδιάμεσα των δύο κύριων οριζόντων που περιγράφηκαν παραπάνω οφείλονται σε διαστρώσεις του αργιλικού σχηματισμού.

Σχ.15. Τυπική τομή (ραδιόγραμμα) από το αίθριο του Τζαμιού Χάμζα Μπέη (Αλκαζάρ) στη Θεσσαλονίκη. Τα αρχικά δεδομένα έχουν υποστεί σειρά προηγμένων μαθηματικών διεργασιών[16].

Μια τυπική οριζόντια τομή από τη διασκόπηση με τη μέθοδο του ραντάρ υπεδάφους στο Τζαμί Χάμζα Μπέη[18] φαίνεται στο σχήμα (16), η οποία αντιστοιχεί σε χρόνο διπλής διαδρομής 57,65 ns. Με βάση την ταχύτητα 0.07 m/ns που υιοθετήσαμε ο χρόνος αυτός αντιστοιχεί σε βάθος 2.01 m. Είναι φανερό ότι υπάρχουν πολλά γραμμικά στοιχεία κάτω από το δάπεδο του αίθριου του Τζαμιού. Δηλαδή, εμφανίζονται συστηματικές ανακλάσεις, οι οποίες τείνουν να σχηματίσουν ορθογώνια σχήματα. Το γεγονός αυτό μας οδηγεί στο να θεωρήσουμε ότι πιθανά προέρχονται από θαμμένα αρχιτεκτονικά λείψανα. Αυτά ανήκουν σε κατασκευές που προϋπήρχαν της ανέγερσης του Τεμένους, η οποία έγινε στο 15ο αιώνα.

Σχ.16. Κατανομή των πλατών του ηλεκτρομαγνητικού σήματος ραντάρ σε οριζόντια τομή του υπεδάφους στο αίθριο του Χάμζα Μπέη για χρόνο διπλής διαδρομής 57,65 ns (2,01 m βάθος με ταχύτητα 0,07 m/ns).

ΚΑΙΝΟΤΟΜΟΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΩΝ ΕΠΙ ΤΟΥ ΤΕΙΧΟΥΣ ΤΗΣ ΑΚΡΟΠΟΛΗΣ ΤΩΝ ΑΘΗΝΩΝ

Παράδειγμα καινοτόμου προσέγγισης διασκόπησης μνημείων αποτελεί η διερεύνηση του εσωτερικού του νοτίου τείχους της Ακρόπολης, η οποία επιχειρήθηκε από το Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Γεωφυσικής του ΑΠΘ[19,20]. Συγκεκριμένα αποφασίστηκε η πραγματοποίηση ενός αριθμού τομογραφιών τόσο κατά την κατακόρυφη έννοια επί του τείχους με συνέχειά τους στην επιφάνεια του λόφου, όσο και κατά την οριζόντια έννοια πάλι επί του τείχους. Έτσι, το μεγαλύτερο μέρος των τομογραφιών που πραγματοποιήθηκαν είχαν το σχήμα του γράμματος «Γ¨». Κατά τη διεξαγωγή των εργασιών στο μνημείο έγινε αντιληπτό ότι ήταν δυνατή η πραγματοποίηση τομογραφιών επί του τοιχώματος των μαρτύρων της ανασκαφής του Καββαδία[21]. Έτσι, επιχειρήθηκε επίσης μια τομογραφία στο νότιο τοίχωμα του μάρτυρα που βρίσκεται στη δυτική πλευρά του Παρθενώνα. Η συγκεκριμένη τομογραφία είχε το σχήμα του γράμματος «Π». Πραγματοποιήθηκε επίσης σειρά πέντε παράλληλων τομογραφιών επί του τοιχώματος του μάρτυρα που βρίσκεται στη νοτιοδυτική γωνία του Παρθενώνα, στον οποίο φαίνονται λείψανα της Μυκηναϊκής οχύρωσης. Οι τομογραφίες αυτές έγιναν έτσι ώστε να συνεχίζονται επί της επιφάνειας του εδάφους και κατακόρυφα επί της εξωτερικής πλευράς του νοτίου τείχους και είχαν επίσης το σχήμα του γράμματος «Π».

Το σχετικά μεγάλο ύψος του τείχους της Ακροπόλεως και η δύσκολη μετακίνηση της υπάρχουσας τότε ανελκόμενης εξέδρας συνιστούσε σημαντικό τεχνικό πρόβλημα για την υλοποίηση των γεωφυσικών οδεύσεων με τον τρόπο που είχε αρχικά σχεδιαστεί. Επιπλέον, το διαθέσιμο μήκος ανάπτυξης των οδεύσεων ήταν μηδαμινό, αν κανείς επιχειρούσε τομογραφίες κατά την οριζόντια έννοια επί των τειχών, λόγω του περιορισμένου μήκους της εξέδρας. Για να υπερκεραστούν τα προβλήματα αυτά έγινε αναρρίχηση επί του τείχους.

Χρησιμοποιήθηκαν κατά κανόνα ηλεκτρόδια «επαφής». Για μεν το τείχος, όπου αυτά αποτελούσαν τη μοναδική λύση, αφού η χρήση μεταλλικών πασσάλων θα τραυμάτιζε το μνημείο. Χρησιμοποιήθηκαν όμως και στην επιφάνεια του εδάφους, εφ’ όσον σε μερικά σημεία δεν ήταν δυνατή η εισαγωγή πασσάλων σ’ αυτό. Οι μεταλλικοί πάσσαλοι χρησιμοποιήθηκαν ι σε τμήματα όπου οι τομογραφίες διέσχιζαν το εδαφικό κάλυμμα.

Τα ηλεκτρόδια επαφής αποτελούνταν από κομμάτι λάσπης μπεντονίτη, στην οποία είχε αναμιχθεί μαγειρικό αλάτι. Σε αρκετές περιπτώσεις χρησιμοποιήθηκε χάλκινη πλάκα σε επαφή με λάσπη μπεντονίτη[22].

Οι φωτογραφίες (17) και (18) δείχνουν τους διαφορετικούς τύπους ηλεκτροδίων που χρησιμοποιήθηκαν. Η τοποθέτηση των ηλεκτροδίων και του πολύκλωνου καλωδίου επί του τείχους έγιναν με αναρρίχηση, η οποία πραγματοποιήθηκε από τους τότε μεταπτυχιακούς φοιτητές Μιχαήλ Στύλλα και Βασίλειο Ναξάκη.

Σχ. 17. Ο κόκκινος κύκλος σημειώνει τη θέση ηλεκτροδίου «επαφής» επί του τείχους. Φαίνεται επίσης το πολύκλωνο καλώδιο που χρησιμοποιείται για την εισαγωγή ρεύματος και τη μέτρηση των δυναμικών. Μετά τη διεξαγωγή κάθε τομογραφίας ο μπεντονίτης συλλεγόταν και δεν άφηνε το παραμικρό ίχνος στο τείχος. Ο αναρριχητής της φωτογραφίας είναι ο τότε μεταπτυχιακός φοιτητής Μιχαήλ Στύλλας.
Σχ. 18.. Ένα συμβατικό ηλεκτρόδιο (μεταλλικός πάσσαλος) και ένα ηλεκτρόδιο «επαφής» φαίνονται μέσα στον κόκκινο κύκλο. Στην προκειμένη περίπτωση το ηλεκτρόδιο επαφής αποτελείται από χάλκινη πλάκα, η οποία βρίσκεται επάνω σε κομμάτι λάσπης μπεντονίτη[22]. Φαίνονται επίσης οι τότε μεταπτυχιακοί φοιτητές Μιχαήλ Στύλλας (δεξιά) και Βασίλειος Ναξάκης (αριστερά), οι οποίοι αναρριχήθηκαν στο τείχος για να τοποθετήσουν τα ηλεκτρόδια και το καλώδιο.

Η επεξεργασία και ερμηνεία των δεδομένων που η συλλογή τους περιγράφηκε παραπάνω αποτελεί μια ακόμη καινοτομική διάσταση του συγκεκριμένου ερευνητικού έργου, εφόσον έπρεπε να διαμορφωθεί εκ νέου ο μαθηματικός αλγόριθμος επεξεργασίας και ερμηνείας των τομογραφιών.

Για τις καινοτομίες που αναφέρθηκαν παραπάνω, η παρουσίαση της έρευνας στο νότιο τείχος της Ακρόπολης στο διεθνές συνέδριο του κλάδου (Archaeological Prospection) στην πόλη Νίτρα της Σλοβακίας απέσπασε το βραβείο της καλύτερης εργασίας[23].

Κατασκευάστηκαν προσομοιώσεις της «ηλεκτρικής» δομής εσωτερικά του νότιου τείχους πριν τη διεξαγωγή της διασκόπησης και υπολογίστηκε η αναμενόμενη απόκρισή τους. Αναμενόταν να παρουσιαστεί μια ζώνη χαμηλών αντιστάσεων που να αντανακλά τη ζώνη αυξημένης υγρασίας που συνιστά μια περιοχή επιλεκτικής ροής υδάτων, πράγμα αναμενόμενο για τη συγκεκριμένη γεωλογική δομή του λόφου και το κεκλιμένο φυσικό ανάγλυφο. Δηλαδή τα νερά των βροχών κατεισδύουν στον κατακερματισμένο ασβεστόλιθο και τα υλικά των προσχώσεων και υπό την επίδραση της βαρύτητας κινούνται προς χαμηλότερο υψόμετρο σε επιλεγμένες διαδρομές. Το αποτέλεσμα στη γεωηλεκτρική εικόνα που θα παραχθεί είναι να εμφανιστεί μια ζώνη χαμηλών αντιστάσεων σαφώς διαχωρισμένη από τις περιοχές που επικρατεί σχετικά μικρότερη υγρασία.

Οι τομογραφίες που έγιναν επί του νοτίου τείχους της Ακροπόλεως φαίνονται στο σχήμα (19). Η θεώρηση που αναφέρθηκε προηγούμενα σχετικά με την

Σχ. 19. «Το σύνολο των τομογραφιών που διενεργήθηκαν επί της όψεως του νοτίου τείχους της Ακροπόλεως. Συμπεριλαμβάνονται και οι τομογραφίες που 
είχαν ηλεκτρόδια τόσο επί του τείχους όσο και στην επιφάνεια του 
βράχου. Επιπλέον, οι τομογραφίες που σημειώνονται ως «3D» έγιναν επί 
του τείχους και επί της επένδυσης του σκάμματος- μάρτυρα της ανασκαφής 
των Καβαδία και Καβεράου (Tsourlos kai Tsokas 2011)»

αναμενόμενη ηλεκτρική συμπεριφορά εσωτερικά του τείχους είναι εμφανής στο αποτέλεσμα της τομογραφίας Κ11, το οποίο παρουσιάζεται στο σχήμα (20). Στην ερμηνεία αυτή συνηγορεί και το γεγονός, ότι λίγο βορειότερα από τη θέση που το νοητό επίπεδο της τομογραφίας τέμνει τη βάση του λόφου, παρουσιάζεται πηγή[24]. Η συγκεκριμένη πηγή εμφανίζεται στην επαφή του «Ασβεστόλιθου των πρανών του λόφου της Ακροπόλεως» με τη Σχιστοψαμμιτομαργαϊκή σειρά, κοντά στο Ιερό της Θέμιδος.

Σχ. 20. Η κατανομή των ειδικών ηλεκτρικών αντιστάσεων σε τομή κατά μήκος της τομογραφίας Κ11. Ο κατακόρυφος άξονας Ζ δείχνει τις αποστάσεις επί του τείχους και ο οριζόντιος Υ τις αποστάσεις στην επιφάνεια του λόφου. Η θέαση είναι από την Ανατολή[23].

Από την άλλη μεριά, το γεγονός ότι η μέθοδος καταγράφει και απεικονίζει κυρίως τις διακυμάνσεις της υγρασίας, καθιστά δυσχερή την αναγνώριση μεταβολών της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης που θα μπορούσαν να σχετιστούν με το πάχος του τείχους. Για το λόγο αυτό, η ερμηνεία των τομογραφιών επικεντρώθηκε στην αναγνώριση περιοχών αυξημένης υγρασίας, με ό,τι αυτό συνεπάγεται για την ποιότητα της τοιχοποιίας και τη σημερινή κατάστασή της.

Το βασικό συμπέρασμα που αποκομίζεται από τις ηλεκτρικές τομογραφίες που διεξήχθησαν επί του νοτίου τείχους της Ακροπόλεως είναι ότι είναι δυνατό να χαρτογραφηθεί η σχετική υγρασία, η οποία διαποτίζει τις ανθρώπινες κατασκευές και τους φυσικούς γεωλογικούς σχηματισμούς. Με τον τρόπο αυτό καταλήξαμε στην υπόδειξη των τμημάτων εκείνων του τείχους που περιέχουν υψηλό ποσοστό υγρασίας. Έμμεσα δηλαδή καταλήγουμε στο να υποδείξουμε τα τμήματα του τείχους που απειλούνται περισσότερο, επειδή τα ύδατα απορρέουν μέσω αυτών.

Ασφαλές συμπέρασμα σχετικά με το πάχος του τείχους στις θέσεις που πραγματοποιήθηκαν οι τομογραφίες δεν ήταν δυνατόν να εξαχθεί. Το γεγονός αυτό οφείλεται κυρίως στον καθοριστικό ρόλο της υγρασίας στη διαμόρφωση της τομογραφικής ηλεκτρικής εικόνας του υπεδάφους και του εσωτερικού των τειχών. Δευτερευόντως οφείλεται σε τεχνικούς λόγους, όπως για παράδειγμα της μη πυκνής χωροθέτησης των τομογραφιών και του σχετικά μεγάλου διαστήματος μεταξύ των ηλεκτροδίων, το οποίο τέθηκε έτσι ώστε να επιτευχθεί βαθιά διείσδυση σε βάρος της διακριτικής ικανότητας.

Όμως, οι τομογραφίες που είχαν το σχήμα του γράμματος «Π», δηλαδή αυτές που έγιναν έτσι ώστε να καλύπτουν το χώρο μεταξύ τοιχώματος του ανασκαφικού μάρτυρα και του τείχους, έδωσαν εκτίμηση του πάχους του τείχους. Το γεγονός αυτό αποδίδεται κυρίως στο ότι ο χώρος που αυτές κάλυψαν περιέχει τη λιγότερη υγρασία από τους χώρους που πραγματοποιήθηκαν οι υπόλοιπες τομογραφίες. Δευτερευόντως αποδίδεται στην πλήρη κάλυψη του χώρου που παρέχει ο συγκεκριμένος τρόπος διεξαγωγής τομογραφιών.

Αξίζει να σημειωθεί ότι οι γεωφυσικές έρευνες που έγιναν στη Ακρόπολη πραγματοποιήθηκαν χωρίς να επηρεαστεί το παραμικρό στον χώρο, δηλαδή με πλήρως μη καταστροφικό τρόπο.

ΣΥΝΕΙΣΦΟΡΑ ΤΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΓΕΩΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΥ ΑΠΘ ΣΤΗΝ ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΠΡΟΣΠΑΘΕΙΑ.

Το Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Γεωφυσικής ασχολείται με το θέμα αυτό από το 1983 με ευθύνη του πρώτου συγγραφέα της παρούσης εργασίας. Μέχρι στιγμής έχει πραγματοποιήσει μεγάλα προγράμματα τόσο βασικής έρευνας όσο και εκτεταμένων εξερευνήσεων αρχαιολογικών χώρων. Μεταξύ των χώρων στους οποίους το Εργαστήριο έχει πραγματοποιήσει διασκοπήσεις συμπεριλαμβάνονται η Ακρόπολη, η Βεργίνα, το κέντρο της Θεσσαλονίκης των Αθηνών και του Πειραιά, Ο τύμβος Καστά στην Αμφίπολη, το Ακρωτήρι της Σαντορίνης, η Ευρωπός, η Ήλιδα, η Σπάρτη, η Θήβα, η Νικόπολη, η Αιανή, ο Μαραθώνας, ο Μακρύγιαλος, το Δίον και μεγάλος αριθμός άλλων θέσεων στην Ελλάδα. Μέλη του Εργαστηρίου έχουν εργαστεί επίσης στο εξωτερικό σε συνεργασία με ξένα ιδρύματα. Έτσι, έχουν πραγματοποιηθεί διασκοπήσεις στην Ιταλία, την Ισπανία, την Αίγυπτο, την Κύπρο, το Κουβέιτ, την Ιορδανία και τη Ρωσία.

Η συμβολή του Εργαστηρίου στην εξέλιξη των σχετικών μεθόδων πιστοποιείται από το πλήθος των εργασιών σε διεθνή περιοδικά, όσο και από το γεγονός ότι, ξένοι επιστήμονες έχουν φιλοξενηθεί στη Θεσσαλονίκη για να εκπαιδευτούν σε τεχνικές τις οποίες ανέπτυξε το Εργαστήριο. Από την άλλη μεριά, αρκετές φορές μέλη του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Γεωφυσικής προσκλήθηκαν στο εξωτερικό (π.χ. Ιαπωνία, Ιταλία., Ισπανία., Κορέα) για να πραγματοποιήσουν επιδείξεις μεθόδων και τεχνικών που αναπτύχθηκαν στη Θεσσαλονίκη. Η διεθνής αναγνώριση της συμβολής του Εργαστηρίου στον τομέα αυτόν μπορεί εύκολα να ελεγχθεί από μια ματιά στους παγκόσμιους δείκτες επιστημοσύνης (Scopus, ISI, Google Scollar, κτλ).

Το Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Γεωφυσικής έχει επανειλημμένα βραβευθεί διεθνώς για την ερευνητική και πρακτική δραστηριότητά του, που αφορά στην ανάπτυξη νέων μεθόδων και τεχνικών για τον εντοπισμό και τη χαρτογράφηση θαμμένων αρχαιοτήτων. Μεταξύ των σχετικών διακρίσεων περιλαμβάνονται και τέσσερα βραβεία καλύτερης εργασίας σε ισάριθμα παγκόσμια συνέδρια. Δυο από τα βραβεία αυτά δόθηκαν από την ένωση ISAP (International Society for Archaeological Prospection) το 2007 και το 2009. Τα άλλα δύο απονεμήθηκαν Στα συνέδρια Near Surface Geophysics της ένωσης European Association of Geoscientists and Engineers (EAGE) το 2008 και το 2010. Επίσης, η εργασία Square array resistivity anomalies and inhomogeneity ratio calculated by the finite element method των G.N. Tsokas, P.I. Tsourlos και J.E. Szymanski. (Geophysics, 62, 426-435, 1997) χαρακτηρίστηκε από το περιοδικό Mining Journal ως μια από τις καλύτερες στην Εφαρμοσμένη Γεωφυσική για το έτος 1997.

Στην ιστοσελίδα του Εργαστηρίου, http://geophysics.geo.auth.gr/ApplGeo/, δίνεται κατάλογος των δημοσιευμάτων που έχουν παραχθεί και παρατίθενται τα βιογραφικά σημειώματα των μελών του. Επίσης, στην ιστοσελίδα υπάρχει πίνακας των βραβεύσεων που έχει λάβει το Εργαστήριο, αναφέρονται λεπτομέρειες για τον εξοπλισμό που διαθέτει, και τέλος, δίδονται πολλά άλλα στοιχεία σχετικά με τη δραστηριότητά του.

O Γρηγόρης Τσόκας είναι Καθηγητής Εφαρμοσμένης Γεωφυσικής του Τμήματος Γεωλογίας ΑΠΘ και αντιπρόεδρος της Διεθνούς Ένωσης για την Αρχαιολογική Γεωφυσική (ISAP -International Society for Archaeological Prospection).
Ο Παναγιώτης Τσούρλος είναι Καθηγητής Εφαρμοσμένης Γεωφυσικής του Τμήματος Γεωλογίας ΑΠΘ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Υποσημειώσεις

[1] G.N. Tsokas, A. Giannopoulos, P.Tsourlos, G.  Vargemezis, J.M. Tealby, A. Sarris, C.B. Papazachos, A large scale geophysical survey in the archaeological site of Europos (nothern Greece). “Journal of Applied Geophysics”, 32, 85-98, 1994

[2] Γ. Ν. Τσόκας, Γ. Βαργεμέζης, Α. Σταμπολίδης, Π. Τσούρλος, Μ. Φ. Παπακωνσταντίνου, Ε. Καράντζαλη, Μ. Σιψή και Φ. Τιλελή. Γεωφυσική διασκόπηση στο πλαίσιο των σωστικών ανασκαφών της ΙΔ’ ΕΠΚΑ για τα μεγάλα δημόσια έργα του Νομού Φθιώτιδος. Το Αρχαιολογικό Έργο στη Θεσσαλία και Στερεά Ελλάδα, 3η Συνάντηση, Βόλος, 12-15 Μαρτίου, 2009, Τόμος Πρακτικών, 1269-1275, 2012.

[3] M.J. Aitken. Physics and Archaeology. Clarendon Press, Oxford, 1974.

[4] G.N.Tsokas and C.B. Papazachos. Two-dimensional inversion filters in magnetic prospecting: Application to the exploration for buried antiquities. “Geophysics”, 57, 8, 1004-1013, 1992.

[5]G.N.Tsokas. An Investigation of the effectiveness of inverse filtering in the geophysical search of archaeological sites. Theory and Practice of Applied Geophysics, 7,Geophysical Exploration of Archaeological sites, 73-88,1993.

[6] N.G. Papadopoulos, P. Tsourlos, G.N. Tsokas and A. Sarris. 2D and 3D Resistivity Imaging in Archaeological Site Investigation. Archaeological Prospection, 13, 3,163-181, 2006.

[7] N.G. Papadopoulos, P. Tsourlos, G.N.Tsokas and A. Sarris. Efficient ERT Measuring and Inversion Strategies for 3D Imaging of Buried Antiquities. Near Surface Geophysics, 5, 6,349-362, 2007.

[8] N.G. Papadopoulos, G. N. Tsokas, M. Dabas, M.-J. Yi, J.-H. Kim and P. Tsourlos. Three- Dimensional Inversion of Automatic Resistivity Profiling Data. Archaeological Prospection,16,4, 267-278, 2009

[9] Γ. Ν. Τσόκας, Γ. Βαργεμέζης, Π. Τσούρλος, Σ. Δρούγου, Χρ. Σαατσόγλου-Παλιαδέλη. Αρχαιολογία και Γεωφυσική: Εξερευνώντας τον Αρχαιολογικό χώρο της Βεργίνας (1984-2004). University Studio Press, σ. 107, 2006.

[10] Γ. Ν. Τσόκας, Π. Τσούρλος, Γ. Βαργεμέζης, Π. Μπογιατζής, Λ. Αχειλαρά, Σ. Κώτσος. Γεωφυσική διασκόπηση  την τούμπα Απολλωνίας. Το Αρχαιολογικό Έργο στη Μακεδονία και Θράκη, KΕ΄ Επιστημονική Συνάντηση 1-3 Μαρτίου, 2012. Τόμος Πρακτικών 2015, 451-456

[11] Tsourlos, P., 1995. Modelling, interpretation and inversion of multielectrode resistivity survey data. Thesis, University of York, U.K.

[12] Λ. Αχειλαρά, Σ. Κώτσος, Ι. Νίνου. Ο τύμβος της Απολλωνίας αποκαλύπτει τα μυστικά του. Το Αρχαιολογικό Έργο στη Μακεδονία και Θράκη, KΕ΄ Επιστημονική Συνάντηση 1-3 Μαρτίου, 2012. Τόμος Πρακτικών 2015, 443-450.

[13] Τσόκας, Γ.Ν., Τσούρλος, Π.Ι., Σταμπολίδης, Α. Βαργεμέζης, Κουτσουμανής, Μ. και Βαβελίδης, Μ., 2014. Γεωφυσική έρευνα σε δυο ταφικούς τύμβους στο Νομό Έβρου. ΑΕΜΘ 24, 2010, 583-589.

[14] Papadopoulos, N.G., Myeong-Jong, Y., Kim,J.H., Tsourlos, P. and G.N. Tsokas., 2010. Geophysical Investigation of Tumuli by means of Surface 3D Electrical Resistivity Tomography. Journal of applied Geophysics, 70, 3, 192-205.

[15] P.I. Tsourlos, N.G. Papadopoulos, M.J. Yi, J. H. Kim and G.N. Tsokas, 2014. Comparison of measuring strategies for the 3-D electrical resistivity imaging of tumuli. Journal of Applied Geophysics, 101, 77-85.

[16] G. N. Tsokas, P. I. Tsourlos, Jung-Ho Kim, Myeong-Zong Yi and G. Vargemezis. The challenge of investigating the tumulus of Kastas in Amphipolis (N. Greece). Paper to be presented at the 12th International conference on Arcaheological Prospection. Branford, 12-15 September, 2017.

[17] Annan P.A. (1992). Ground penetrating radar: workshop notes. Sensors & Software Inc., Mississauga, Ontario,Canada.

[18] G. N. Tsokas, N. Diamanti, P. I. Tsourlos, G. Vargemezis, A. Stampolidis and K. T. Raptis. Geophysical prospection at the Hamza bey (Alkazar) monument, Thessaloniki, Greece. Mediterranean
Archaeology and Archaeometry, 13, 1, 9-20, 2013.

[19] P.I. Tsourlos, G.N.Tsokas, N. Papadopoulos, V. Manidaki, M. Ioannidou and A. Sarris. Non Destructive ERT Sourvey at the South Wall of Akropolis of Athens, Greece. Proceedings of the 12th European Meeting of Environmental and Engineering Geophysics, September 2006, Helsinki, B040.

[20] P.I. Tsourlos and G. N. Tsokas. Non-destructive Electrical Resistivity Tomography Survey at the South Walls of the Acropolis of Athens. Archaeological Prospection, 18, 173–186, 2011.

[21] Π. Καββαδίας, και Γ. Καβεράου. Η ανασκαφή της Ακροπόλεως. Βιβλιοθήκη της εν Αθήναις Αρχαιολογικής Εταιρείας, 1907.

[22] E. Athanasiou, P.I. Tsourlos, G. Vargemezis, C.B. Papazachos and G.N. Tsokas. Nondestructive DC resistivity surveying using flat-base electrodes. Near Surface Geophysics, 5, 4,243-272, 2007.

[23] G. Τsokas and Tsourlos P.I. Non destructive ERT Survey at the South Wall Of Acropolis of Athens. 7th International Conference on Archaeological Prospection, 11 15 September 2007, Nitra, Slovakia.

[24] Β. Ανδρονόπουλος και Γ. Κούκης. Γεωλογική-Γεωτεχνική μελέτη της περιοχής Ακροπόλεως Αθηνών. Ι.Γ.Μ.Ε. , Γεωτεχνικαί έρευναι αρ. 1, 1976.