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Norbert Schleifer

• Die Induzierte Polarisation (IP) ist ein geoelektrisches Verfahren und wurde ursprünglich zur Exploration von Erzvorkommen entwickelt. Neben metallischen Leitern, tragen auch Tonminerale, der Porenraum und die chemische Zusammensetzung der Porenlösung zur Polarisierbarkeit eines Unter-grundes bei. Die spektrale Induzierte Polarisation (SIP) untersucht die Polarisierbarkeit in einem Frequenzbereich von 1 mHz bis 1 kHz und nutzt diese aufgezeichneten Spektren zur Unterscheidung von Materialien. Früher mit einem enormen messtechnischen Aufwand verbunden, führte der gerätetechnische Fort-schritt in den letzten beiden Jahrzehnten dazu, dass die SIP vermehrt in der Umweltgeophysik zum Einsatz kommt. Zu den Fragestellungen gehören die Detektion von Altlasten und der Grundwasser-schutz. In der Archäologie ist die Induzierte Polarisation bislang ein kaum verwendetes Verfahren. Im Rahmen des Graduiertenkollegs „Archäologische Analytik“ der J. W. Goethe- Universität wurde die Entwicklung einer Multielektroden-Apparatur SIP-256 begonnen. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Fortführung dieser Entwicklung. Da sich die wissenschaftliche Fragestellung während dieser Promotion auf die Erkundung archäologischer Objekte beschränkt, galt es zunächst automatisierte Messabläufe zu realisieren, die es erlauben, die komplexe elektrische Leitfähigkeit kleinräumiger 2D- bzw. 3D-Strukturen zu erfassen. Die Verwendung der SIP-256 führte zu einer erheblichen Ver-kürzung der Messzeit und war entscheidend für die Realisierung dieser Arbeit. Den zweiten Schwerpunkt der Arbeit bildet die Suche nach Anwendungsgebieten für die SIP innerhalb der archäologischen Prospektion. Basierend auf den Ursachen von Polarisationseffekten werden im Rahmen dieser Arbeit drei Anwendungsgebiete vorgestellt. Das erste Anwendungsgebiet nutzt die Vorteile der SIP bei der Prospektion von Erzen. Auf einem mittelalterlicher Verhüttungsplatz bei Seesen am Harz konnten im Vergleich zu einer konventionellen Widerstandsmessung mehr Schlackegruben lokalisiert werden. Während einer deutsch-bulgarischen Grabungskampagne in Pliska (Bulgarien) 1999 gelang es, durch eine flächenhafte Anwendung der IP einen Siedlungshorizont über Lehmablagerungen nachzuweisen. Die Überreste eines Gebäudes erzeugten einen messbaren Polarisationseffekt. Die frühmittelalterlichen Siedlungsreste befinden sich mit 2 bis 3 m in relativ großer Tiefe und konnten bei einer anschließenden Ausgrabung freigelegt werden. Eine Kernfrage war, ob Holzobjekte mit Hilfe der SIP zu detektieren sind. Mit Hilfe von Labormessungen an der TU Clausthal konnte geklärt werden, dass Holz ein polarisierbares Material ist. Zu den untersuchten Proben gehören Hölzer aus einem bronzezeitlichen Bohlenweg, die von Ausgrabungen im Federseemoor (Kreis Biberach) stammen. Durch die Untersuchungen im Labor motiviert, folgte eine Feldmessung über dem Bohlenweg. Es gelang, erstmals ein Holzobjekt mit spektraler Induzierter Polarisation zu detektieren. Holz spielt durch die dendrochronologische Datierung von Fundstellen eine wichtige Rolle, konnte aber bislang noch mit keiner geophysikalischen Methode zufriedenstellend prospektiert werden. Abschließend kann gesagt werden, dass sich die spektrale Induzierte Polarisation als wertvolle Methode in der archäologischen Prospektion etablierte. Strukturen, welche mit einer konventionellen Widerstandsmessung nicht zu erkennen waren, konnten durch die SIP eindeutig identifiziert werden. Natürlich müssen die vorliegenden Ergebnisse noch durch weitere Messungen bestätigt werden, jedoch zeichnet sich ab, dass sich mit der fortschreitenden gerätetechnischen Entwicklung, welche zu schnelleren Messabläufen führt, wichtige Zusatzinformationen durch die spektrale Induzierte Polarisation gewinnen lassen.
• Induced Polarisation (IP) is a geoelectrical method whose measurement setup is comparable to a conventional resistivity survey. The method was originally developed for ore exploration. The transition from electronic to electrolytic conduction at the interface between metallic mineral and pore fluid leads to strong polarisation effects known as electrode polarisation. Polarisation effects can be measured as a phase angle (time shift) between the applied harmonic current signal and the measured voltage. The amplitude of the apparent resistivity and the phase angle together are also known from complex resistivity. In spectral Induced Polarisation (SIP) or frequency domain IP, one measures the apparent resistivity at two or more frequencies. SIP usually investigates the polarisation effect in a range between 1 mHz and 1 kHz and uses the spectra to distinguish materials. In time-domain IP, the decay curve of the voltage is recorded instantly after the current signal is shut off. The voltage is thus measured as function of time. Time- and frequency-domain measurements are related by a Fourier transform. The successful use in ore prospection has promoted a better theoretical understanding of polarisation effects. Besides metallic minerals the interactions at the internal electrical double layer between the solid matrix and the pore fluid are the source of a membrane polarisation. Membrane polarisation is mainly influenced by the clay mineral content, porosity and the chemical composition of the pore fluid. Although membrane polarisation effects are generally around one to two orders of magnitude lower than electrode polarisation effects, modern IP equipment is able to resolve these phenomena. As a consequence the improvement of measurement techniques and the development of multichannel geoelectrical-instruments has opened new fields of application where small polarisation effects have to be considered, e. g. groundwater monitoring, hydrogeology and sedimentology. Aspinall and Lynam (1968, 1970) were the first who recommended the application of IP in archaeological prospection. They developed equipment for time-domain IP and used the method for the detection of a ditch and a pit filled with slag and cinders. However, at that time, the accurate measurement of IP was very time consuming. Even though recent improvements in measurement techniques now enable the effective application in archaeological prospection the method has not been established. One reason is the lack of experience of which archaeological objects can be detected by SIP. The large content of ore minerals, not extracted when smelting and left in slag, enabled the detection of furnaces and slag heaps by the IP method at medieval smelting sites (Weller, 2003). Losito et al.(2001) and Finzi-Contini (2001) carried out time-domain IP measurements near excavated roman boats. They observed increased IP effects originating from wooden boat fragments. In order to establish the method in archaeological prospection the multichannel geoelectricalinstrument SIP-256 was developed within the postgraduate program 'Archäologische Analytik' at the Johann Wolfgang Goethe-Universität. The main objective of this PhD was to find archaeological objects that can be detected by SIP. Moreover any additional information that can be derived from an SIP measurement compared to a conventional resistivity measurement should also be investigated. The main focus was whether wood with its complex cell structure can be regarded as a polarisable material. Wood plays an important role in archaeology because dendrochronology allows the dating of excavated sites. As there is no distinct geophysical method especially in peatland archaeology that is able to detect wooden remains, this might be a field of application that establishes SIP in archaeological prospection. The foundation for this work was the further development of the instrument including the realisation of 3D-surveys and an improvement of the data processing....