Geophysical approaches to pedo-sedimentary studies in archaeology

https://doi.org/10.34692/p4rt-gd32

Thème 8 : Nouveaux instruments pour le travail de terrain et l’enregistrement / New instruments for field work and recording

One of the main challenges in geophysical prospection in archaeology is the unpredictability of the geophysical responses. This prediction comes down to resolving the question if an archaeological feature will render an observable geophysical contrast within its pedological and/or sedimentary context with a given geophysical method. One way to approach this problem is through forward modelling, whereby the response of specific instruments over representative synthetic models of archaeological features and soils is simulated. However, parametrizing these models is not a straightforward task. While the geometry of potential archaeological features and soils is static, and can often be assessed through prior archaeological information, addressing the geophysical properties of features’ backfills and soil horizons remains challenging. Furthermore, many of these properties, such as electrical conductivity or dielectric permittivity, are dynamic because they are influenced primarily by soil moisture content, which is variable. To overcome these challenges, the ‘Working the land, Searching the soil’-project is developing field strategies for in situ geophysical data collection and soil sampling, which ought to be feasible in archaeological field practice, to determine and predict geophysical properties of a wide range of archaeological and pedological targets. Aside from measuring geophysical properties of excavated sections, they are also sampled to optimize pedophysical models. Such models allow converting commonly analyzed soil properties (e.g. soil texture) to geophysical properties. Finally, long-term geophysical monitoring using soil moisture and electromagnetic sensors, installed in archaeological and natural soil sequences, allows to assess the impact of the dynamic soil properties on geophysical responses. This approach allows forward modelling of archaeological features and soils to evaluate their detectability with a wide array of geophysical instruments through simulation, thereby optimizing prospection strategies. This provides a more unbiased and quantitative assessment than expert consulting, currently the main way of strategizing geophysical prospection. The results of this development will be demonstrated through three archaeological and (paleo-)pedological case studies from the European lowlands’ sand belt. In Lommel (BE), mapping strategies are developed for a Weichselian late-glacial marker horizon, the Usselo paleosol, which provides potential contexts for wellpreserved Final Palaeolithic Federmesser sites. In Valthe (NL), a leached soil feature of a possible stone extraction pit, alongside two Dolmen, is investigated to develop prospection strategies for the subtle traces of Neolithic Funnelbeaker land use. In Radojewice (Poland), a trapezoidal longhouse of the Neolithic Brześć Kujawski culture is studied to explain underwhelming magnetometer and electromagnetic induction survey results remaining in contradiction to more satisfying, spatially complex contrasts in remote sensing, ground penetrating radar and electrical resistance survey.

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L’un des principaux défis de la prospection géophysique en archéologie est l’imprévisibilité des réponses géophysiques. Cette prédiction revient à résoudre la question de savoir si une caractéristique archéologique produira un contraste géophysique observable dans son contexte pédologique et/ou sédimentaire avec une méthode géophysique donnée. L’une des façons d’aborder ce problème est la modélisation prospective, qui consiste à simuler la réponse d’instruments spécifiques sur des modèles synthétiques représentatifs d’éléments archéologiques et de sols. Cependant, le paramétrage de ces modèles n’est pas une tâche simple. Alors que la géométrie des éléments archéologiques potentiels et des sols est statique et peut souvent être évaluée à partir d’informations archéologiques antérieures, l’étude des propriétés géophysiques des remblais des éléments et des horizons du sol reste un défi. En outre, nombre de ces propriétés, telles que la conductivité électrique ou la permittivité diélectrique, sont dynamiques car elles sont principalement influencées par la teneur en eau du sol, qui est variable. Pour relever ces défis, le projet Working the land, Searching the soil développe des stratégies de terrain pour la collecte de données géophysiques in situ et l’échantillonnage du sol, qui devraient être réalisables dans la pratique archéologique de terrain, afin de déterminer et de prédire les propriétés géophysiques d’un large éventail de cibles archéologiques et pédologiques. Outre la mesure des propriétés géophysiques des sections excavées, celles-ci sont également échantillonnées afin d’optimiser les modèles pédophysiques. Ces modèles permettent de convertir les propriétés du sol couramment analysées (par exemple la texture du sol) en propriétés géophysiques. Enfin, la surveillance géophysique à long terme à l’aide de capteurs d’humidité du sol et de capteurs électromagnétiques, installés dans des séquences de sols archéologiques et naturels, permet d’évaluer l’impact des propriétés dynamiques du sol sur les réponses géophysiques. Cette approche permet de modéliser à l’avance les caractéristiques archéologiques et les sols afin d’évaluer leur détectabilité à l’aide d’un large éventail d’instruments géophysiques par le biais de simulations, optimisant ainsi les stratégies de prospection. Elle fournit une évaluation quantitative plus impartiale que la consultation d’experts, qui est actuellement le principal moyen d’élaborer des stratégies de prospection géophysique. Les résultats de ce développement seront démontrés à travers trois études de cas archéologiques et (paléo-)pédologiques de la ceinture de sable des basses terres européennes. À Lommel (Belgique), des stratégies de cartographie sont développées pour un horizon marqueur de la fin du glaciaire Weichselien, le paléosol d’Usselo, qui fournit des contextes potentiels pour des sites Federmesser du Paléolithique final bien préservés. À Valthe (Pays-Bas), un sol lessivé d’une possible fosse d’extraction de pierres, à côté de deux dolmen, est étudié afin de développer des stratégies de prospection pour les traces subtiles de l’utilisation néolithique des terres par les Funnelbeakers. À Radojewice (Pologne), une maison longue trapézoïdale de la culture néolithique Brześć Kujawski est étudiée afin d’expliquer les résultats décevants des relevés par magnétomètre et induction électromagnétique qui restent en contradiction avec les contrastes plus satisfaisants et spatialement complexes de la télédétection, du géoradar et des relevés par résistance électrique.