Truizmem jest stwierdzenie, że metody fizyczne znajdują coraz szersze zastosowania w archeologii. Wśród obecnie stosowanych są m.in. metody wykorzystywane do określenia wieku (np. radiowęglowa, uranowo-torowa), do określania składu chemicznego i pochodzenia surowców (np. metody izotopowe) oraz służące do wykrywania znajdujących się pod ziemią obiektów (Aitken, 1974). Z grup tych ostatnich najważniejsze to:

1. Metoda magnetyczna, oparta na pomiarach zaburzenia (anomalii) ziemskiego pola magnetycznego;
2. Metody elektrooporowe, wykorzystujące zaburzenia przepływu prądu elektrycznego wprowadzonego do ziemi;
3. Metody elektromagnetyczne polegające na wprowadzeniu fali elektromagnetycznej do ziemi i pomiarach jej zaburzeń, względnie odbić. Tu zaliczyć należy radar ziemny czyli tzw. teledetekcję i inne (Aitken 1974, 191; Lemberger 1973, 281);
4. Metody akustyczno-sejsmiczne, polegające na wprowadzeniu fali mechanicznej w ziemię.

a) Wyjaśnienie metody elektrooporowej przy pomocy analogii z prą-dem wodnym
Wyobraźmy sobie dwa zbiorniki wodne połączone giętką rurką. Jeżeli powierzchnia wody w obu zbiornikach będzie na tym samym poziomie, to nie zaobserwujemy żadnego przepływu między nimi. Jeżeli jednak jeden z nich podniesiemy do góry wówczas przez łączącą je rurkę zacznie płynąć woda. Różnica poziomów jest wielkością analogiczną do napięcia elektry-cznego, a ilość wody przepływającej w jednej sekundzie, do natężenia prądu. Różnicę poziomów zmierzyć można bardzo prosto np. przy pomocy zwykłej linijki. Do pomiaru napięcia elektrycznego posługujemy się * woltomierzem lub miliwoltomierzem. Prędkość przepływu wody, a dokła-dniej jej objętość przepływającą w ciągu jednej sekundy możemy zmierzyć przy pomocy np. obracającego się wiatraczka. Jest on odpowied-nikiem amperomierza, służącego do pomiaru natężenia prądu (rys. l).
Zauważmy, że im większa różnica poziomów, tym szybszy jest prąd wodny. Podobnych obserwacji można dokonać dla układu elektrycz-nego -- im większa jest różnica potencjałów, czyli napięcie V, tym większe jest natężenie prądu I (prawo Ohma). Współczynnikiem proporcjonalności między tymi wielkościami jest opór elektryczny R.

Teraz wyobraźmy sobie duży zbiornik wodny, na, dnie którego znajduje się szeroki mur lub głaz sięgający powierzchni. Spróbujmy wytworzyć taki prąd wody, aby wykryć ten obiekt. Zanurzamy dwie rury do zbiornika i przy pomocy pompy przez jedną z rur tłoczymy równomierny strumień wody, a przez drugą pobieramy go. Wokół pierwszej rury wytworzy się podwyższenie poziomu wody, taki pagórek wodny, a wokół drugiej rodzaj leja. Jeśli rury znajdą się nad obiektem, to zaobserwujemy podwyższenie pagórka wodnego przy jednej i obniżenie przy drugiej. Oczywiście przepływ wody pozostaje taki sam (rys. 2).

W przypadku prądu elektrycznego zastosowaliśmy dwie elektrody wbijane w ziemię w odległości od siebie np. jednego metra i mierzylibyśmy napięcie oraz natężenie (rys. 3). Niestety taki prosty układ ma szereg wad (Aitken 1974, 265; Atkinson 1952), przede wszystkim pozwala na wykrywanie obiektów znajdujących się bardzo blisko elektrod. Chociaż metoda ta była wykorzystywana w latach 40-tych i 50-tych, obecnie ma już tylko znaczenie historyczne. Współcześnie wzorując się na metodach geofizycznych (Dźwinel 1978) stosuje się wyłącznie układy czteroelektrodowe. Dwie elektrody służą do wprowadzenia prądu, a dwie do pomiaru napięcia. I znowu odwołamy się do analogii z prądem wodnym. Wyobraźmy sobie układ czterech rur. Dwie skrajne doprowadzają wodę, a dwie umieszczone wewnątrz służą do pomiaru różnicy poziomów wody. Jeżeli środek tego układu znajdzie się nad podwodnym obiektem, to prąd wody będzie nad nim szybszy i w związku z tym zwiększy się różnica poziomów. Odpowiada to zwiększeniu napięcia elektrycznego nad przeszkodą (rys. 4). Istnieje szereg konfiguracji, czyli sposobów rozstawienia czterech elektrod (Aitken 1974, 283; Dźwinel 1978). Dla celów archeologicznych najkorzystniejszym jest układ potencjałowy (układ elektrod bliźniaczych -- twin probe method). W tym przypadku, stosując nadal analogię wodną, rura doprowadzająca wodę oraz rura służąca do pomiaru różnicy poziomów są nieruchome, oddalone od siebie i od pozostałych. Rura odprowadzająca wodę oraz druga, służąca do pomiaru różnicy poziomów, są przesuwalne. Dowiedliśmy eksperymentalnie, że układ elektryczny tego typu reaguje najlepiej na obiekt znajdujący się dokładnie w środku między elektrodami ruchomymi. Odległość od elektrod stałych dobiera się kilkudziesięciokrotnie większą (co najmniej 30 razy) od odległości między elektrodami przesuwalnymi. Teoretycznie najkorzystniejsze jest umieszczenie elektrod stałych prostopadle do linii pomiarowej, po obu jej stronach (rys. 5).

Zajmowaliśmy się dotąd prądem wodnym płynącym tylko w jedną stronę. Odpowiada to w układzie elektrycznym prądowi stałemu. Jego źródłem może być np. 12 woltowy akumulator samochodowy lub zestaw połączonych szeregowo baterii 4,5 V. Do metody potencjałowej stosuje się napięcia ok. 200 V z pięćdziesięciu płaskich baterii (Herbich J.T., informacja ustna). Możemy sobie jednak wyobrazić, że woda przepływa raz w jedną, raz w drugą stronę. Wokół rur woda na przemian podnosi się i opada. Odpowiada to w układzie elektrycznym prądowi zmiennemu. Wykorzystywana zwykle częstość zmian w układzie wynosi 1000 razy na sekundę (1000 Hz). Niewątpliwą zaletą pomiarów prądem zmiennym jest fakt, że można stosować znacznie mniejsze i bardziej bezpieczne napięcie rzędu kilku woltów.

b) Fizyczne podstawy metody elektrooporowej
Wprowadzając prąd elektryczny mierzymy jego natężenie w amperach lub w jednostce 1000 razy mniejszej, czyli w miliamperach [mA]. Zakłócenia czy zaburzenia w przepływie prądu elektrycznego mierzymy miliwoltomierzem w miliwoltach. Znając napięcie U natężenie I przepływającego prądu można, przekształcając wzór (l), obliczyć opór elektryczny R wyrażany w omach [W ]. Istotniejszy jednak dla nas jest opór elektryczny właściwy r , czyli jedna z cech materiału. Określamy go jako opór elektryczny kostki (sześcianu) o wymiarach lm*lm*lm (por. wzór 2). Elektrody, w tym przypadku np. dwa dobrze przewodzące kawałki blachy l m * l m, przykładamy do 2 przeciwległych ścian takiego sześcianu (rys. 6). Elektryczny opór właściwy jest wielkością bardzo różną dla różnych materiałów. Jednostką jest tu ohm razy metr [W m]. Opór właściwy składników powierzchni ziemi zależy przede wszystkim od zawartości wody. Zaznacza się wyraźna różnica oporu między materiałem porowatym suchym i nasiąkniętym wodą. Na podstawie naszych doświadczeń możemy powiedzieć, że wilgotny piasek ma opór właściwy kilkaset W m, a suchy powyżej tysiąca W m (por. też-Aitken 1974, 267). Generalnie najmniejszy opór właściwy występuje dla wody i mokrego mułu (ok. 10 Wm) oraz wilgotnej gliny i popiołu. Wartości te są różne w czasie suchego czy wilgotnego lata. Dlatego zasadą jest, by pomiary robić możliwie szybko, albo przy wyrównanych warunkach pogodowych. Istotne jest tu raczej porównanie wielkości oporów właściwych niż ich absolutna wielkość. Każdy badany obiekt wymaga więc indywidualnego podejścia.

W metodzie elektrooporowej oporu właściwego nie mierzymy bynajmniej przez pomiar metrowej kostki materiału. Posługujemy się tu elektrodami wbijanymi w grunt.

Po wielu latach prób i doświadczeń zarówno w terenie jak i modelowych zdecydowaliśmy się na wyłączne stosowanie tzw. metody potencjałowej (twin probe method) wprowadzonej do archeologii przez Aspinalla (Aspinall 1970, 67). Zamiast za każdym razem przekładać cztery elektrody przesuwamy tylko dwie (rys. 7). Jedna służy do wprowadzenia prądu, druga do pomiaru napięcia. Pozostałe dwie natomiast są nieruchome i znajdują się w znacznej odległości - przynajmniej 30 razy większej od rozstawu elektrod przesuwalnych (por. rys. 5). Od rozstawu elektrod przesuwalnych zależy głębokość wnikania prądu, a więc i możliwość wykrywania obiektów. Stosując rozstaw l m wykrywamy obiekty na głębokości od ok. 50 cm. Przy tym rozstawie nie jesteśmy jednak w stanie wykryć obiektów mniejszych niż l m.

Do badań elektrooporowych zaleca się raczej stosowanie prądu zmiennego niż stałego (Atiken 1974, 267). Aparatura do pomiarów prądem stałym jest wprawdzie prostsza, lecz ze względu na występujące tu duże zakłócenia wywołane efektami elektrochemicznymi wymaga dużych napięć zasilających. Przy stosowanej przez nas metodzie potencjałowej napięcie zasilające powinno mieć wartość od 100 do 400 woltów. Zakłócenia elektrochemiczne nie występują przy prądach zmiennych, gdzie kierunek przepływu prądu zmienia się wiele razy na sekundę. W naszych badaniach stosowaliśmy generator o częstotliwości 1000 Hz. Oznacza to, że tysiąc razy na sekundę prąd płynął w jedną stronę, a tysiąc razy na sekundę w przeciwną, czyli kierunek prądu zmienił się 2000 razy w ciągu sekundy. Wymagane napięcie zasilające wynosiło tylko 1,5 V, czyli tyle co napięcie jednej baterii R6. Zamiast efektów elektrochemicznych pojawia się inne źródło zakłóceń, mianowicie wywołane przepływem prądów sieci elektrycznej. Ponieważ ich częstotliwość wynosi 50 Hz, czyli jest 20 razy niższa od częstotliwości stosowanego generatora, możliwe jest ich odfiltrowanie. W tym celu stosowaliśmy specjalny wzmacniacz selektywny. Niemniej wypada zaznaczyć, że w archeologii stosuje się i prądy zmienne i stałe (R. Herbich - informacja ustna).

Rys. 2 przedstawia schemat prostego czteroelektrodowego układu potencjałowego do badań terenowych.

Dla obliczenia oporu właściwego p wykorzystano wzór:

gdzie: c = 10 -- współczynnik wzmocnienia wzmacniacza selektywnego, d = l m -- rozstaw elektrod, U - napięcie zmienne o częstotliwości 1000 Hz mierzone na wyjściu wzmacniacza selektywnego, I -- natężenie prądu generatora o częstotliwości 1000 Hz.

W pomiarach elektrooporowych przeprowadzonych w kościele św. Piotra i Pawła Apostołów w Sławsku zastosowaliśmy następujący zestaw aparatury:

1. generator,
2. wzmacniacz selektywny,
3. przyrządy cyfrowe do pomiaru napięcia i natężenia prądu,
4. elektrody zarówno wkłuwane jak i przykładane.

a) Generator. Pomiary zostały wykonane przy użyciu prądu zmiennego o częstotliwości 1000 Hz. Użyty generator posiadał szeroki zakres częstotliwości od 0,01 Hz do 100 000 Hz i był zasilany bateryjnie. Zastosowane akumulatorki umożliwiały ciągłą pracę generatora przez czas ponad 20 godzin bez ładowania. Maksymalne napięcie wynosiło 1,5 V. Zasada działania generatora pozwala na płynne przestrajanie bez zrywania drgań i dzięki temu nadaje się on do współpracy ze wzmacniaczem selektywnym.

b) Wzmacniacz selektywny, wzmacniający częstość 1000 z dziesięciokrotnie lub stukrotnie -- zależnie od ustawienia przełącznika. Wzmacniacz cechuje się dużym oporem wejściowym -- ok. 10 megaomów (1MW == 10000000W ), co umożliwia .pracę przy słabym kontakcie elektrycznym z podłożem. Jest to istotne zwłaszcza przy stosowaniu elektrod przykładanych. Wzmacniacz jest również zasilany bateryjnie.

c) Przyrządy pomiarowe. Stosowaliśmy uniwersalne przyrządy pomiarowe z odczytem cyfrowym typu Multimetr 2000, odznaczające się dużym oporem wewnętrznym, włączone do obwodu jako woltomierz (10MW ) oraz niezbyt dużym spadkiem napięcia, używane jako miliamperomierz (do 0,3 V). Zastosowane baterie umożliwiają bardzo długi czas pracy. Ciekłokrystaliczny wyświetlacz cyfrowy zmniejsza ryzyko błędnych odczytów.

d) Elektrody. Użyto elektrody wkłuwane oraz elektrody przykładane. Te ostatnie, w celu zmniejszenia oporu przejścia, stosowane były na mokro.

W dniach od 7 do 10 lipca 1992 roku przeprowadzono badania metodą elektrooporową kościoła parafialnego w Sławsku, woj. słupskie. Wykonała je grupa pod kierownictwem drą Przemysława Kiszkowskiego, Zakład Nauczania Eksperymentu Fizycznego, Instytut Fizyki U.A.M. Poznań. W skład grupy wchodzili mgr Jacek Bator i p. Ewa Sadlik. Pomiary przeprowadzono metodą potencjometryczną z dwiema elektrodami przesuwanymi. Zamiast dwóch elektrod odniesienia zastosowano podłączenie do instalacji piorunochrona (rys. 8). Przeprowadzono pomiary w siatce -0,5 na 0,5 m przy rozstawie elektrod l m. Pracę rozpoczęto zaraz po zerwaniu podłogi-drewnianej. Tam gdzie było to możliwe stosowano elektrody wkłuwane, natomiast na płytkach posadzki zastosowano -elektrody przykładane. Rys. 9 przedstawia naniesione na plan kościoła punkty przyłożenia elektrod.

Pomiary w siatce 0,5 na 0,5 m pozwalają na wykrywanie obiektów o średnicy nie mniejszej niż 0,5 m, a użyty rozstaw elektrod d = l m, umożliwia penetrację na głębokość 0,5 do 1,5 m w zależności od wielkości obiektu. Opracowane komputerowo wyniki przedstawiono w dwojaki sposób:

1. W postaci mapy izooporowej (rys. 10),
2. W postaci rzutów stereograficznych (wykresów przestrzennych) widzianych z różnych kierunków (rys. l1 i 12).

1. Obiekt w nawie północnej o kształcie zbliżonym do koła o średnicy 6 m. Część jego znajduje się pod ławą fundamentową. Obiekt wchodzi do wnętrza kościoła na głębokość 4 m, a szerokość jego przy ścianie północnej wynosi 6 m (rys. 10, 11, 12). Opór właściwy ziemi w obiekcie wynosi ok. 1000 W m, co stanowi 50% wzrost wartości w stosunku do tła. Odwierty laską geologiczną przeprowadzone przez mgr Przemysława Krajewskiego i dr. Włodzimierza Rączkowskiego wskazują tam obecność warstwy kamieni.
2. Obiekt w nawie południowej. Opór właściwy ziemi wzrasta tu do ok. 1800 W n, co stanowi 200% wartości tła (rys. 10, 11, 12). Obiekt dochodzi prawie do połowy nawy głównej. Odwierty wykazały tam występowanie warstwy zaprawy o grubości ok. 5 cm.

Ó Copyright by CyjSoftware 2000