بهره‌گیری از توموگرافی مقاومت الکتریکی در باستان‌شناسی: مطالعه‌ای با رویکرد مدل‌سازی عددی در نرم‌افزار COMSOL
محورهای موضوعی : باستان‌شناسی تاریخی
1 - دانش‌آموخته کارشناسی ارشد باستان‌شناسی دوران تاریخی، دانشکده هنر و معماری، دانشگاه مازندران، بابلسر.
2 - دانشجوی دکتری اپتیک و لیزر، دانشکده فیزیک، دانشگاه مازندران، بابلسر.
کلید واژه: توموگرافی مقاومتی الکتریکی, تصویربرداری زیرسطحی, تصویربرداری مقاومتی, ژئوفیزیک,
چکیده مقاله :
باستان‌شناسی به‌عنوان دانشی میان‌رشته‌ای، همواره به‌دنبال روش‌هایی نوین برای کاوش غیرمخرب و دقیق در لایه‌های زیرزمینی بوده است. یکی از روش‌های نوظهور و بسیار کارآمد در این حوزه، توموگرافی مقاومت الکتریکی (ERT) است که با بهره‌گیری از تغییرات مقاومت الکتریکی در زیرسطح، امکان شناسایی ساختارهای مدفون، قبرها، زیرساخت‌ها و دیگر شواهد فرهنگی را فراهم می‌سازد. این مقاله با تمرکز بر کاربرد باستان‌شناختی ERT، به تحلیل عددی این روش در محیط شبیه‌سازی پیشرفتهٔ نرم‌افزار COMSOL می‌پردازد. در چارچوب این پژوهش، یک مدل سه‌بعدی استوانه‌ای با قطر ۴۰ متر و ارتفاع ۲۰ متر طراحی شد که در آن ۲۵ الکترود به‌صورت خطی در سطح قرار گرفتند. شبیه‌سازی عددی انجام‌شده، امکان بررسی دقیق توزیع پتانسیل الکتریکی و مقاومت ویژه زیرسطح را فراهم کرده و با مقایسه نتایج با حل تحلیلی در محیط همگن، صحت عملکرد مدل ارزیابی شد. افزون بر این، تأثیر پارامترهایی همچون آرایش الکترودها، فاصله آن‌ها و ویژگی‌های فیزیکی مواد زیرسطحی بر نتایج تصویربرداری مورد تحلیل قرار گرفت. نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که ترکیب روش ERT با شبیه‌سازی عددی، رویکردی مؤثر، غیرویرانگر و دقیق برای شناسایی ساختارهای باستانی فراهم می‌سازد و می‌تواند جایگزینی علمی و پایدار برای روش‌های سنتی حفاری باشد.
Archaeology, as an interdisciplinary science, continually seeks innovative methods for accurate and non-invasive subsurface exploration. Among the emerging and highly effective techniques in this field is Electrical Resistivity Tomography (ERT), which utilizes variations in subsurface electrical resistivity to detect buried structures, graves, infrastructure, and other cultural remains. This paper focuses on the archaeological application of ERT by conducting a numerical analysis using the advanced simulation capabilities of COMSOL Multiphysics software. Within the framework of this study, a three-dimensional cylindrical model with a diameter of 40 meters and a height of 20 meters was developed, with 25 electrodes linearly arranged on the surface. The numerical simulation enabled detailed examination of electric potential distribution and subsurface resistivity, and the model’s accuracy was validated by comparison with analytical solutions in a homogeneous medium. Furthermore, the study analyzed the effects of electrode configuration, spacing, and the physical properties of subsurface materials on the imaging results. The findings demonstrate that integrating ERT with numerical simulation provides an effective, non-destructive, and precise approach for identifying archaeological features, offering a scientifically robust and sustainable alternative to traditional excavation methods.
Alexakis, D., Agapiou, A., Hadjimitsis, D., & Sarris, A. (2012). Remote sensing applications in archaeological research. Remote Sensing-Applications, 435-462.
Vásconez Maza, M. D., Martínez Pagán, P., Aktarakçi, H., García Nieto, M. C., & Martínez Segura, M. A. (2020). Enhancing electrical contact with a commercial polymer for electrical resistivity tomography on archaeological sites: A case study. Materials, 13(21), 5012.
Bianco, C., De Giorgi, L., Giannotta, M. T., Leucci, G., Meo, F., & Persico, R. (2019). The Messapic Site of Muro Leccese: New Results from Integrated Geophysical and Archaeological Surveys. Remote Sensing, 11(12), 1478.
Piroddi, L., Calcina, S. V., Trogu, A., & Ranieri, G. (2020). Automated Resistivity Profiling (ARP) to explore wide archaeological areas: The prehistoric site of Mont’e Prama, Sardinia, Italy. Remote Sensing, 12(3), 461.
Milo, P., Vágner, M., Tencer, T., & Murín, I. (2022). Application of geophysical methods in archaeological survey of early medieval fortifications. Remote Sensing, 14(10), 2471.
Di Fiore, B., Mauriello, P., Monna, D., & Patella, D. (2002). Examples of application of tensorial resistivity probability tomography to architectonic and archaeological targets. Annals of Geophysics, 45(2).
Mauriello, P., & Patella, D. (1999). Resistivity anomaly imaging by probability tomography. Geophysical Prospecting, 47(3), 411-429.
Urbini, S., Cafarella, L., Marchetti, M., Chiarucci, P., & Bonini, D. (2007). Fast geophysical prospecting applied to archaeology: results at “Villa ai Cavallacci”(Albano Laziale, Rome) site. Annals of Geophysics, 50(3), 291-299.
Loddo, F., Ranieri, G., Piroddi, L., Trogu, A., & Cogoni, M. (2016, September). On the use of electrical resistivity tomography in shallow water marine environment for archaeological research. In Near Surface Geoscience 2016-22nd European Meeting of Environmental and Engineering Geophysics (Vol. 2016, No. 1, pp. cp-495). European Association of Geoscientists & Engineers.
Chavez, R. E., Chavez-Hernandez, G., Tejero, A., & Alcantara, M. A. (2011, September). The'L-Array', a 3D Tool to Characterize a Fracture Pattern in an Urban Zone. In Near Surface 2011-17th EAGE European Meeting of Environmental and Engineering Geophysics (pp. cp-253). European Association of Geoscientists & Engineers.
Cardarelli, E., Fischanger, F., & Piro, S. (2008). Integrated geophysical survey to detect buried structures for archaeological prospecting. A case‐history at Sabine Necropolis (Rome, Italy). Near Surface Geophysics, 6(1), 15-20.
Cozzolino, M., Baković, M., Borovinić, N., Galli, G., Gentile, V., Jabučanin, M., Mauriello, P., Merola, P., & Živanović, M. (2020). The contribution of geophysics to the knowledge of the hidden archaeological heritage of Montenegro. Geosciences, 10(5), 187.
Simyrdanis, K., Papadopoulos, N., & Cantoro, G. (2016). Shallow off-shore archaeological prospection with 3-D electrical resistivity tomography: The case of Olous (modern Elounda), Greece. Remote Sensing, 8(11), 897.
Novo, A., Vincent, M. L., & Levy, T. E. (2012). Geophysical surveys at Khirbat Faynan, an ancient mound site in southern Jordan. International Journal of Geophysics, 2012(1), 432823.
Casana, J., Herrmann, J. T., & Fogel, A. (2008). Deep subsurface geophysical prospection at Tell Qarqur, Syria. Archaeological Prospection, 15(3), 207-225.
Berezowski, V., Mallett, X., Ellis, J., & Moffat, I. (2021). Using ground penetrating radar and resistivity methods to locate unmarked graves: a review. Remote Sensing, 13(15), 2880.
Matias, H. C., Santos, F. M., Ferreira, F. R., Machado, C., & Luzio, R. (2006). Detection of graves using the micro-resistivity method. Annals of Geophysics, 49(6).
Tsourlos, P. I., & Tsokas, G. N. (2011). Non‐destructive electrical resistivity tomography survey at the south walls of the Acropolis of Athens. Archaeological Prospection, 18(3), 173-186.
Tsokas, G. N., Tsourlos, P. I., Vargemezis, G., & Novack, M. (2008). Non‐destructive electrical resistivity tomography for indoor investigation: the case of Kapnikarea Church in Athens. Archaeological prospection, 15(1), 47-61.
Trogu, A., Ranieri, G., Calcina, S., & Piroddi, L. (2014). The ancient Roman aqueduct of Karales (Cagliari, Sardinia, Italy): Applicability of geophysics methods to finding the underground remains. Archaeological Prospection, 21(3), 157-168.
Moník, M., Lenďáková, Z., Ibáñez, J. J., Muñiz, J., Borell, F., Iriarte, E., Teira, L., & Kuda, F. (2018). Revealing early villages–Pseudo‐3D ERT geophysical survey at the pre‐pottery Neolithic site of Kharaysin, Jordan. Archaeological Prospection, 25(4), 339-346.
Deiana, R., Vicenzutto, D., Deidda, G. P., Boaga, J., & Cupitò, M. (2020). Remote sensing, archaeological, and geophysical data to study the Terramare settlements: The case study of Fondo Paviani (northern Italy). Remote Sensing, 12(16), 2617.
Papadopoulos, N. (2021). Shallow offshore geophysical prospection of archaeological sites in eastern Mediterranean. Remote Sensing, 13(7), 1237.
Sapia, V., Materni, V., Florindo, F., Marchetti, M., Gasparini, A., Voltattorni, N., Civico, R., Giannattasio, F., Miconi, L., Marabottini, M.F., & Urbini, S. (2021). Multi-Parametric Imaging of Etruscan Chamber Tombs: Grotte Di Castro Case Study (Italy). Applied Sciences, 11(17), 7875.