Geophysikalische Verfahren in der Archäologie:

Untersuchungen im Bereich der Festung Kalø, Dänemark

 

Y. Hofmann¹, U. Koppelt², C. Kroner¹, N. Abrahamsen³, G. Dittrich², J. Frandsen 4

 

1 Einleitung

 

Im Jahr 1314 gründete der dänische König Erik Menved auf einer Insel ca. 30 km nördlich von Aarhus in Dänemark die Burganlage Kalø (Abb. 1). Ihre Lage in der Kalø-Bucht lässt vermuten, dass sie hauptsächlich zur Festigung der inneren Macht diente. Zur Sicherung der Burganlage wurden Gräben und Palisaden angelegt (Olsen, 1982). Ein 1 km langer künstlicher Damm verbindet die Insel mit dem Festland. Trotz Größe und Bedeutung der Burg wurde sie schon 300 Jahre nach ihrer Erbauung im Jahr 1672 wieder verlassen. Zurück blieben Wälle, Gräben und Fundamentreste im Untergrund. Spuren von Bauwerken sind bis auf die Burgruine an der Oberfläche kaum zu finden.

Zur    Untersuchung   der    spätmittelalterlichen

Burganlage wurden zerstörungsfreie geophysikalische Methoden eingesetzt, da die Halbinsel als Flächenbiotop ausgewiesen ist und Grabungen nur eingeschränkt durchgeführt werden können. Die Burgruine selbst war im Rahmen der geophysikalischen Untersuchungen nicht von Interesse. Auf der Kalø werden im Untergrund Fundamentreste ehemaliger Wirtschaftsgebäude, Wohn- und Befestigungsanlagen sowie Reste der alten Straße in Form gesetzter Steine vermutet (Abrahamsen et al., 1993). Die geophysikalische Erkundung der Insel erfolgte zwischen 1990 und 1999 durch geomagnetische und geoelektrische Kartierungen, Bodenradaruntersuchungen sowie topographische Aufnahmen (Abrahamsen et al., 1993; Koppelt et al., 1999). Hier werden die Ergebnisse der im Sommer 1998 durchgeführten Messkampagne vorgestellt.

2 Messgebietsbeschreibung

 

Die Halbinsel Kalø umfasst eine Fläche von ca. 0,1 km². Sie liegt im Bereich einer Endmoräne der Elsterkaltzeit (500 000 bis 200 000 Jahre vor heute), die ein ungeordnetes Gemenge von Schmelzwassersanden, Tonen und Findlingen des Baltischen Schildes enthält.

 

Die topographische Karte (Abb. 2) liefert einen Überblick über die Verteilung großräumiger archäologischer Objekte. Form und Größe von Erhebungen und ebenen Flächen geben Hinweise auf eine mögliche ehemalige Bebauung. Die für die topographische Darstellung verwendeten Daten beruhen auf Messungen des dänischen Ministeriums für Umwelt und Energie. Im Rahmen der Messkampagne 1998 wurde das topographische Messnetz weiter verdichtet. Der durchschnittliche Messpunktabstand betrug 5 m. Die in Abb. 2 mit M1 bis M3 gekennzeichneten Bereiche stellen im Sommer 1998 mit geophysikalischen Verfahren untersuchte Flächen dar.

 

3 Aufnahme und Bearbeitung der Daten

 

3.1 Geomagnetische Kartierung

 

Die Kartierung der magnetischen Totalintensität wurde mit einem GSM-19 FG Overhauser Magnetometer durchgeführt. Da es sich bei den gesuchten Strukturen zum größten Teil um Fundamentreste von Gebäuden bestehend aus einzelnen gesetzten Steinen handelt, sind die zu erwartenden Anomalien entsprechend kleinräumig. Unter diesen Voraussetzungen wurde ein Profilabstand von 0,25 m gewählt. Der Abstand der einzelnen Messpunkte auf den Profilen war abhängig von der Geschwindigkeit, mit der die Messsonde die Profile entlang bewegt wurde. Er beträgt ca. 0,2 bis 0,3 m. Da mit dem Magnetometer kontinuierlich gemessen wurde, war eine Zuordnung der Messwerte eines Profils zum entsprechenden Profilmeter notwendig. Dies wurde mittels elektronischer Messmarken realisiert, die manuell, per Knopfdruck am Messgerät im Abstand von 1 m gesetzt wurden. Aufgrund des schnellen Messverfahrens konnten im Messgebiet M2 über 100 000 Messwerte aufgenommen werden.

 

Zur Erfassung der täglichen Schwankungen des Magnetfeldes dienten Basispunkt-messungen im 10 s Intervall mit einem zweiten Magnetometer. Eine Synchronisation der beiden Magnetometer erfolgte alle sechs Tage.

 

3.2 Bodenradar

 

Die Bodenradarmessungen wurden mit dem Gerät GSSI SIR System 2 durchgeführt. Die Datenerfassung erfolgte bei dieser Apparatur kontinuierlich, durch Bewegung der Antennen entlang der Profile. Messmarken auf den Profilen wurden elektronisch per Knopfdruck gesetzt.

 

Mit Hilfe der Reflexions- bzw. Entfernungsgleichung

 

z =	V Δt
	2

(1)

 

(Greinwald et al., 1997) lässt sich die Tiefenlage z eines Reflektors berechnen. Während die Laufzeit Δt im Radargramm abgelesen werden kann, wurde durch Inversion der dazugehörigen geomagnetischen Messwerte die Störkörpertiefe mehrerer im Radargramm sichtbarer Reflektoren bestimmt und mit Gleichung (1) die durchschnittliche Ausbreitungsgeschwindigkeit auf der Insel Kalø v_k = 0,086 m/ns berechnet.

 

Auf der Messfläche M3 wurde eine Kartierung durchgeführt, wobei der Profilabstand 1 m betrug. Die flächenhafte Interpretation der Radardaten beruht auf der Berechnung von horizontalen Schnitten, sogenannten Zeitscheiben. Die Bezeichnung Zeitscheibe folgt aus der Tatsache, dass die Tiefe in der Dimension der Zeit gemessen wird und die Tiefenangabe der zu berechnenden Zeitscheibe in Nanosekunden erfolgt. Durch alle Radargramme eines Messgebietes legt man Ebenen in vorher definierten Tiefen. Die Amplitudenwerte der einzelnen Radargramme werden in der festgelegten Tiefe bestimmt und die Werte zwischen den Profilen interpoliert. Alle zeitgleichen Amplitudenwerte werden dann mittels Farbabstufungen dargestellt. Die Umrechnung der Laufzeiten in Tiefen erfolgte mit der Gleichung (1). Die auf Messfläche M1 und M3 aufgenommenen Radargramme wurden zuvor topographisch reduziert.

 

4 Ergebnisse

 

4.1 Messfläche M1

 

Auf der Messfläche M1 wurden Bodenradarmessungen durchgeführt, um Anhaltspunkte über die Befestigungsart der östliche Begrenzung der Burggräben zu finden. Das in Abb. 3 dargestellte höhenreduzierte Radargramm wurde entlang eines in Ost-West-Richtung verlaufenden 30 m langen Profils aufgenommen. Der Profilabschnitt -11 m bis -5 m ist durch Reflektoren in Δt = 7 ns Tiefe relativ zur Erdoberfläche gekennzeichnet. Das entspricht nach Gleichung (1) einer Tiefe von ca. z = 0,3 m. Die Reflektoren weisen auf eine Befestigung der östlichen Begrenzung des Burggrabens hin und lassen sich in den benachbarten Radargrammen innerhalb der Messfläche M1 nach Norden und Süden verfolgen. Die Befestigung wurde zur Zeit der Bewirtschaftung der Burg Kalø angelegt, um das Ufer des damals noch mit dem Meer verbundenen Burggrabens vor Erosion vor allem durch die Meeresgezeiten zu schützen. Entlang des Hanges sind weitere Reste der Befestigung zu erkennen (Kreise). Dieser künstliche Erosionsschutz geht bei etwa 3 m des Profils in die Geologie über. Der starke Reflektor (A) im Profilabschnitt 3 m bis 11 m ist aufgrund seiner Ausdehnung und seiner Tiefe im Vergleich zur Tiefenlage der bisher gefundenen Fundamente natürlichen Ursprungs. Der Reflektor (A) setzte sich vermutlich in westlicher Richtung fort. Dies deutet darauf hin, dass die Wassergräben künstlich angelegt wurden und dabei der Reflektor durchbrochen und entfernt wurde.

 

4.2 Messfläche M2

 

Die Ergebnisse der geomagnetischen Kartierung auf der Messfläche M2 sind in Abb. 4 dargestellt. Es konnten sechs ehemalige Gebäude (I bis VI) lokalisiert werden.

 

Das Gebäude (I) ist mit 20 x 42 m² das größte bisher entdeckte ehemalige Gebäude auf der Halbinsel. Die Fundamente der Außenwände und die der dachtragenden Holzpfeiler im Inneren sind in den geomagnetischen Daten klar erkennbar. Das Fehlen von geomagnetischen Anomalien entlang von ehemaligen Gebäudewänden kann zwei Ursachen haben. Für den Bau der Fundamente könnten nicht oder nur gering magnetisierte Gesteine verwendet worden sein. Weiterhin können einige Steine des Fundamentes einfach fehlen, da sich an der entsprechenden Stelle ein Ausgang des Gebäudes befunden hat oder die Steine nach Verlassen der Insel abgetragen wurden. Die Lokalisierung eines Ausgangs im Gebäude (I) ist nur bedingt möglich. Auffallend ist die Lücke (1) in der linearen Anomalienanordnung der nördlichen Hauswand, die an gleicher Stelle auch im Fundament der dachtragenden Pfeiler vorhanden ist. Nördlich dieses möglichen Ausganges befinden sich weitere Strukturen, die auf eine Bebauung hinweisen aber nicht weiter spezifiziert werden können. Eventuell handelt es sich um Vorbauten oder Vordächer.

Das Gebäude (II) konnte mit der geomagnetischen Kartierung vollständig erfasst werden. Mit einer Fläche von 45 x 10 m² ist es kleiner als das Gebäude (I). Ausgrabungen bestätigen die Existenz dieses Gebäudes (Koppelt et al., 1999). Zwei in Ost-West-Richtung verlaufende Strukturen (2) und (3) innerhalb der Reste des Gebäudes (II) lassen auf Trennwände oder verschiedene Bauphasen schließen. In der Mitte des Gebäudes befindet sich eine lineare Anordnung von Anomalien, parallel zu den Längsseiten des Hauses. Da das Gebäude (II) mit 10 m nur halb so breit wie das Gebäude (I) mit 20 m ist, reicht eine Reihe Pfeiler aus, um das Dach zu tragen. Die Lokalisierung eines Eingangs ist bei diesem Gebäude anhand der geomagnetischen Messwerte nicht möglich.

 

Die Existenz des Gebäudes (III) wird durch eine an der Erdoberfläche sichtbare Hausecke bestätigt. Die Länge des Gebäudes beträgt 32 m und die Breite etwa 4 m. Reste der westlichen Hauswand befinden sich in einem geomagnetisch unruhigen Bereich. Trotzdem konnte die Position mittels Anomalien, hervorgerufen durch die Grundsteine der Hausecke, bestimmt werden. Das Fundament der nördlichen Begrenzung des Gebäudes (III) ist in den geomagnetischen Daten nicht zu erkennen.

 

Die kreisrunde Struktur (IV) südlich des Farmgebäudes (III) korreliert mit einer Vertiefung in der Topographie. Der Durchmesser beträgt 4,5 m. Hierbei könnte es sich um die Reste eines Wachturmes handeln.

 

In historischen Büchern (Abrahamsen et al., 1993) wird ein viertes Gebäude erwähnt. Im Westen der geomagnetisch kartierten Fläche deutet sich dieses Gebäude (V) an. Vom Fundament ist wenig erhalten geblieben. Die Grundmauern von zwei Hauswänden konnten lokalisiert werden.

 

Ein weiteres Gebäude (VI) wurde im südwestlichen Bereich der Messfläche M2 auf einer kleinen Erhebung gefunden. Bei diesem ca. 5 x 8 m² großen Gebäude handelt es sich möglicherweise um eine Art Pförtnerhaus, da, wie in der topographischen Karte deutlich wird, die ehemalige Straße nur westlich des Gebäudes (VI) zur Burg geführt haben kann. Relikte der Straße wurden zwischen den Burggräben gefunden. Innerhalb der Messfläche M2 gibt es keine weiteren Hinweise auf den Verlauf der Straße.

Eine große und auffällige Anomalie (Pfeil) befindet sich auf dem von den vier Gebäuden eingeschlossenen Platz. Ihr Durchmesser beträgt 3 m. Dies lässt auf eine tiefliegende Quelle schließen. Es kann sich um einen verfüllten Brunnen oder eine ehemalige Zisterne handeln. Eine Trinkwasserquelle bzw. ein Trinkwasserspeicher muss auf der Halbinsel vorhanden gewesen sein, damit die Bewohner lange Belagerungszeiten überstehen konnten.

 

4.3 Messfläche M3

 

Im Eingangsbereich der Halbinsel werden Fundamentreste im Untergrund vermutet, die Relikte früherer Torgebäude darstellen. Weiterhin ist der Verlauf der ehemaligen Straße im Eingangsbereich unklar. Es sind an der Erdoberfläche keine Anhaltspunkte in Form von Resten des alten Straßenpflasters vorhanden. Die Platzierung der Messfläche M3 erfolgte entsprechend der Topographie. Im Eingangsbereich von Kalø sind zwei Hügel zu erkennen, die etwa 1 m höher liegen als die Umgebung. Als Arbeitshypothese wurde angenommen, dass die ehemalige Straße zwischen diesen Hügeln verlief und sich vielleicht Torgebäude zu beiden Seiten der Straße befanden.

 

Eine Auswertung aller Zeitscheiben der Messfläche M3 ergibt die in Abb. 5 dargestellte Lageskizze der Strukturen im Eingangsbereich der Insel. Die untergelegte Zeitscheibe befindet sich in einer Tiefe von 40 ns entsprechend 1,72 m unter Gelände. Die Nordost-Südwest streichende Struktur ist durch eine Aneinanderreihung von Reflektoren (dunkel) gekennzeichnet, die durch Steine im sonst sandigen Untergrund hervorgerufen werden. Hierbei handelt es sich um Reste der alten Straße. Die Struktur bildet die direkte Fortsetzung der Straße auf dem künstlichen Damm und verläuft in der gleichen Richtung. Die Breite lässt sich auf ca. 4 m festlegen. Die Annahme, dass die alte Straße zwischen den beiden Erhebungen im Eingangsbereich der Halbinsel verlief, bestätigt sich. Bei der durch viele Reflektoren (dunkel) gekennzeichneten Struktur am südlichen Rand der Abb. 5 könnte es sich um die Reste der Pflasterung eines Vorhofes handeln. Dieser Platz befindet sich direkt neben der alten Straße und vom künstlichen Damm aus gesehen hinter dem Torgebäude. Die Topographie zeigt an dieser Stelle eine ebene Fläche. Die Ausdehnung des Vorhofes kann mit ca. 10 x 7 m² angegeben werden.

Die im Nordwesten der Messfläche M3 eingezeichnete, annähernd rechteckige Struktur (A) weist auf die Reste eines ehemaligen Torgebäudes hin. Die Tatsache, dass die ehemalige Straße innerhalb des gefundenen Gebäudeumrisses verläuft, lässt vermuten, dass Torbögen vorhanden waren, die die Straße überspannten. Südöstlich der Straße sind lineare Strukturen in der abgebildeten Zeitscheibe zu erkennen, die Überreste eines weiteren ehemaligen Gebäudes (B) darstellen könnten. Hiervon ist lediglich die nordöstliche und ein Teil der südöstlichen Begrenzung des Hauses (B) erkennbar. Die südöstliche Begrenzung des Gebäudes (A) könnte gleichzeitig die nordwestliche Grundmauer des Hauses (B) sein.

 

5 Zusammenfassung

 

Für die Geophysik stand bei dieser Studie primär die Fragestellung im Vordergrund, welche Untergrundstrukturen sich mit den verschiedenen geophysikalischen Verfahren nachweisen lassen.

 

Die aufschlussreichsten Ergebnisse wurden mit der geomagnetischen Kartierung erzielt. Durch den geringen Messpunktabstand konnte eine gute Auflösung in den geomagnetischen Daten erreicht werden. Auf diese Weise wurden auch im Untergrund verbliebene Reste innerer Strukturen der Gebäude in Form von Trennwänden u. ä. sichtbar.

 

Die Bodenradaruntersuchungen eigneten sich sehr gut zur Erkundung oberflächennaher archäologischer Strukturen. Das Radar konnte gezielt eingesetzt werden, um Störkörper in Form von gesetzten Steinen im Untergrund zu lokalisieren, die mit der Geomagnetik nicht sichtbar gemacht werden konnten. Die aus den Radargrammen einer Messfläche erstellten Zeitscheiben liefern einen Überblick über das gesamte untersuchte Gebiet. Die Bodenradaruntersuchungen zeigten eine starke Wetterabhängigkeit. Der Einfluss des Feuchtigkeitsgehaltes im Boden auf die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen wirkte einschränkend auf die Interpretation der Radargramme und der zugehörigen Zeitscheiben.

 

Das Ziel dieser Arbeit aus archäologischer Sicht war, Informationen über die vermuteten Strukturen im Untergrund zu gewinnen bzw. Areale zu untersuchen, über die bisher keine Informationen vorliegen.

 

1.          Die Radargramme liefern Hinweise auf die Befestigung des östlichen Ufers der Burggräben. Es wird davon ausgegangen, dass es sich um eine künstliche Uferbefestigung handelt, da sie auch in geomagnetischen Daten früherer Messkampagnen sichtbar ist (Koppelt et al., 1999).

 

2.          Durch die geomagnetische Kartierung konnten die in historischen Büchern angeführten ehemaligen Gebäude (Abrahamsen et al., 1993) eindeutig lokalisiert werden. Reste eines weiteren, nicht erwähnten kleinen Gebäudes wurden gefunden. Es handelt sich wahrscheinlich um eine Art Torhäuschen. Der Verlauf der alten Straße konnte mit der Geomagnetik nicht lokalisiert werden.

 

3.          Mit den Bodenradarmessungen konnte großflächige, ehemalige Bebauung (Verteidigungsanlage) nachgewiesen werden. Im Eingangsbereich der Halbinsel Kalø zeigen die topographisch reduzierten Zeitscheiben des Bodenradars den Verlauf der ehemaligen Straße sowie einen alten Vorplatz und Fundamentreste von einem oder eventuell zwei Torgebäuden. Olsen (1982) geht an dieser Stelle nur von Zäunen (Palisaden) und einem Tor aus.

 

Die Ergebnisse der Messkampagne auf der Halbinsel Kalø im Sommer 1998 konnten die Erkenntnisse aus früheren Messungen (Abrahamsen et al., 1993, Koppelt et al., 1999) bestätigen. Es wurden über das bisherige Wissen hinaus neue Informationen zur Art und Lage von Wirtschafts-, Wohn- und Befestigungsanlagen auf der Halbinsel gewonnen.

 

6 Literatur

 

Abrahamsen, N., Sigurdsson, T., Frandsen, J. 1993: Magnetic and Georadar Surveying of Farm Buildings at the Medieval Kalø Castle (Denmark), Archaeology and Natural Science (ANS), Volume 1, 17-23.

 

Greinwald, S., Thierbach, R. 1997: Elektrische Verfahren zur praktischen Anwendung in der Umweltgeophysik, In: Beblo, M. 1997: Umweltgeophysik, Ernst&Sohn, Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH Berlin, 197-216.

 

Koppelt, U., Abrahamsen, N., Dittrich, G., Frandsen, J., de Lasson, PH. 1999: Micromagnetic investigations of medieval settlement structures at Kalø castle ( Denmark ), Journal of Applied Geophysics, 41: 145-156.

 

Olsen, R.A. 1982: KALØ, Skalk-Vejleder, 1-8.