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考古学において、地球物理探査とは、考古学的画像化や地図作成に用いられる地上ベースの物理的探査技術のことである。リモートセンシングや海洋探査も考古学で用いられるが、一般的には別々の分野とみなされている。「地球物理探査」や「考古学的地球物理学」といった用語は、概ね同義語として用いられる。
地中物理探査は、地中の考古学的遺構の地図を作成するために用いられます。遺構とは、現存する建造物であれ、土壌に残された人間の活動の痕跡であれ、考古学的記録の中で持ち運びできない部分を指します。地中物理探査機器は、物理的特性が周囲の環境と著しく異なる場合に、埋没した遺構を検出できます。場合によっては、個々の遺物、特に金属も検出されることがあります。体系的なパターンで取得された測定値はデータセットとなり、画像地図としてレンダリングできます。探査結果は、発掘の指針として、また考古学者が遺跡の未発掘部分のパターンを理解するために使用できます。他の考古学的手法とは異なり、地中物理探査は侵襲的でも破壊的でもありません。そのため、発掘ではなく保存が目的の場合や、墓地などの文化的に敏感な遺跡への影響を避けるためによく用いられます。[ 1 ]
地球物理探査は過去に断続的に成功を収めてきたが、適切に適用すれば良好な結果が得られる可能性が非常に高い。解釈を検証・改良できるような、十分に統合された研究計画の中で用いられる場合に最も有効である。探査計画と解釈の両方において、考古学的記録とその地球物理学的表現に関する知識が必要となる。適切な計測機器、探査計画、データ処理は成功に不可欠であり、各遺跡固有の地質と考古学的記録に合わせて調整する必要がある。現場では、データ品質と空間精度の管理が極めて重要となる。
考古学で用いられる地球物理学的探査法は、鉱物探査、工学、地質学で用いられる手法を大部分応用したものである。しかし、考古学的マッピングには特有の課題があり、それが独自の探査法と機器の開発を促してきた。一般的に、地質学的な応用では、比較的大きな構造物を、できるだけ深いところまで検出することが求められる。一方、ほとんどの考古学的遺跡は地表から比較的近く、多くの場合、地表から1メートル以内の深さにある。探査機器は、関心のある地表付近の現象をより正確に捉えるために、応答深度を制限するように設定されることが多い。もう一つの課題は、腐朽した木の柱から出る有機物の染みのように、非常に微細で、しばしば非常に小さな特徴を検出し、岩石、根、その他の自然の「雑然としたもの」と区別することである。これを実現するには、感度だけでなく、データポイントの高密度化も必要であり、通常は1平方メートルあたり少なくとも1つ、場合によっては数十の測定値が必要となる。
考古学において最も一般的に用いられるのは、磁力計、電気抵抗計、地中レーダー（GPR）、電磁伝導率計（EM）である。これらの手法は、様々な種類の考古学的遺構を識別でき、非常に広い範囲を高密度で調査することが可能であり、幅広い条件下で動作できる。一般的な金属探知機は地球物理学的センサーではあるが、高解像度画像を生成することはできない。その他にも、確立された技術や新興技術が考古学分野で活用されつつある。
電気抵抗計は、電気回路のテストに使用されるオーム計に似ていると考えることができます。ほとんどのシステムでは、金属プローブを地面に挿入して、その地域の電気抵抗値を取得します。さまざまなプローブ構成が使用され、多くは4つのプローブを備え、多くの場合、剛性のフレームに取り付けられています。土壌との直接的な物理的接触を必要としない容量結合システムも開発されています。考古学的特徴は、周囲よりも抵抗率が高いか低い場合にマッピングできます。石の基礎は電流の流れを妨げる可能性がありますが、貝塚内の有機堆積物は周囲の土壌よりも容易に電気を伝導する可能性があります。抵抗法は一般的に考古学で平面図のマッピングに使用されますが、深さを識別して垂直プロファイルを作成する能力も限られています（電気抵抗トモグラフィーを参照）。
電磁（EM）導電率計は、抵抗計と同等の応答を示します（導電率は抵抗の逆数です）。地下の考古学的特徴は、送信コイルに既知の周波数と大きさの電流を流すことで地下に磁場を生成することによって検出されます。この電流は、地下導体に二次電流を誘起し、受信コイルによって検出されます。地下の導電率の変化は、埋没した特徴を示す可能性があります。[ 2 ] [ 3 ] EM導電率計は、一般的に同じ現象に対して抵抗計よりも感度が低いですが、いくつかの独自の特性があります。利点の1つは、地面に直接接触する必要がなく、抵抗計に適さない条件下で使用できることです。もう1つの利点は、抵抗計よりも比較的高速であることです。抵抗計とは異なり、導電率計は金属に強く反応します。これは、金属が考古学的記録とは無関係な場合には不利になる可能性がありますが、金属が考古学的に興味深い場合には有用です。電磁伝導率測定装置の中には、磁化率を測定できるものもあり、この特性は考古学研究においてますます重要になってきている。
地球物理探査で使用される磁力計は、単一のセンサーで全磁場強度を測定する場合もあれば、空間的に離れた2つ（場合によってはそれ以上）のセンサーで磁場勾配（センサー間の差）を測定する場合もある。考古学のほとんどの用途では、後者（グラジオメーター）構成が好まれる。これは、地表付近の小さな現象をより高分解能で検出できるためである。磁力計には、さまざまな種類のセンサーが使用されることもある。プロトン歳差磁力計は、より高速で高感度なフラックスゲート磁力計やセシウム磁力計にほぼ取って代わられている。
あらゆる種類の物質は、たとえ私たちが「磁性体」とは考えていないものであっても、それぞれ固有の磁気特性を持っています。地中に存在する様々な物質は、地球の磁場に局所的な乱れを引き起こし、高感度磁力計で検出することができます。磁力計は鉄や鋼、レンガ、焼けた土、そして多くの種類の岩石に非常に強く反応し、これらの物質で構成された考古学的遺構は容易に検出できます。こうした強い磁性を持つ物質が存在しない場合でも、土壌の乱れや有機物の腐敗によって生じる非常に微細な異常を検出できることがよくあります。磁力計による調査の主な限界は、関心のある微細な特徴が、強い磁性を持つ地質学的物質や現代の物質によって隠されてしまう可能性があることです。
地中レーダー（GPR）は、これらの手法の中で最もよく知られているものの一つでしょう（ただし、考古学において最も広く用いられているわけではありません）。レーダーの概念は、ほとんどの人にとって馴染み深いものです。この場合、レーダー信号（電磁パルス）は地中に向けられます。地中の物体や地層（層状構造）は反射波を発し、それが受信機によって受信されます。反射波の伝播時間によって深度が分かります。データは断面図として、あるいは特定の深度を分離した平面図としてプロットすることができます。
GPRは、良好な条件下（均質な砂質土壌が理想的）では強力なツールとなり得ます。比較的深い場所にある空間的に小さな物体を検出できる能力と、異常源の深さを識別できる能力の両方において、GPRは他に類を見ないものです。GPRの主な欠点は、理想的とは言えない条件下では性能が著しく制限されることです。細粒堆積物（粘土やシルト）の高い電気伝導率は、信号強度の伝導損失を引き起こします。また、岩石や不均質な堆積物はGPR信号を散乱させます。
金属探知機は電磁誘導を利用して金属を検出します。磁力計や電磁伝導率計など、他の種類の機器にも金属に対する感度はありますが、専用の金属探知機の方がはるかに効果的です。金属探知機には様々な種類があり、機能や感度も異なります。ほとんどの金属探知機は、異なる種類の金属ターゲットを識別する能力を備えています。
一般的な携帯型金属探知機は考古学者に広く使用されています。これらの機器のほとんどはログデータセットを作成しないため、直接地図を作成することはできませんが、体系的に使用すれば考古学研究において有用なツールとなり得ます。場合によっては、外部データロガーがこのような探知機に取り付けられ、検出された物質に関する情報と対応するGPS座標を収集して、さらに処理します。宝探しや遺物収集家による考古遺跡でのこれらの機器の誤用は、考古学的保存において深刻な問題となっています[ 4 ] [ 5 ]。しかし、熟練したアマチュアオペレーターと学術チームとの協力的な取り組みがこの分野で生まれつつあります。[ 6 ]
考古学ではあまり一般的ではないものの、携帯型モデルよりもはるかに感度の高い高性能金属探知機が市販されている。これらの機器はデータ記録機能と高度なターゲット識別機能を備えており、調査データ収集のために車輪付きカートに取り付けることもできる。
Lidar（ライトレーダー）は、レーザー光パルスなどを用いて対象物を照射することで対象物までの距離を測定できる光学リモートセンシング技術です。Lidarは、考古学の分野で多くの用途があり、野外調査の計画、森林の樹冠下の地形のマッピング[ 7 ]、地上では判別できない広範囲にわたる連続的な地形の概要把握などに役立っています。また、Lidarは、植生によって隠されている微細な地形を明らかにすることができる考古学的遺跡の高解像度デジタル標高モデル（DEM）を作成する機能も考古学者に提供します。Lidarから得られた成果物は、分析や解釈のために地理情報システム（GIS）に容易に統合できます。
データ収集は、使用するセンシング機器の種類に関わらず、概ね同様です。通常、測量では、機器を持って間隔の狭い平行な測線に沿って歩き、一定間隔で測定値を取得します。ほとんどの場合、空間制御のためにグリッドシステムが地面にマークされます。マークされたグリッドポイントを基準として、機器操作者はデータ収集時にテープやマークされたロープをガイドとして使用します。このようにして、高解像度マッピングのための測位誤差を数センチメートル以内に抑えることができます。統合型全地球航法衛星システム（GNSS）を備えた測量システムが開発されています。開けた場所では、これらのシステムはローカルグリッドシステムを確立する必要なく測量を容易にします。GNSSシステムは一般的に、高解像度の考古学的マッピングのためにRTK （ SBASではなく）補正システムを必要とします。地球物理機器（特に金属探知機）も、関心領域をより非公式に「スキャン」するために使用されることがあります。
データ処理と画像処理は、生の数値データを解釈可能な地図に変換します。データ処理には通常、統計的外れ値やノイズの除去、データ点の補間が含まれます。統計フィルタは、関心のある特徴（サイズ、強度、向き、その他の基準に基づく）を強調したり、現代的または自然的な現象による隠蔽を抑制したりするように設計できます。観測データから考古学的特徴を逆モデリングすることは、ますます重要になっています。処理されたデータは通常、画像、等高線図、または擬似レリーフとしてレンダリングされます。地球物理学的データがグラフィカルにレンダリングされると、解釈者は文化的および自然のパターンをより直感的に認識し、検出された異常を引き起こす物理現象を視覚化できます。
地球物理探査の利用は、ヨーロッパの考古学、特に1940年代から1950年代にかけて開拓されたイギリスにおいて、すでに確立されている。その技術は、地域特有の状況に合わせて改良されるにつれて、世界の他の地域でもますます活用され、成功事例も増えている。
初期の調査では、測定値は個別に記録され、手作業でグラフ化されていた。有益な結果が得られることもあったが、膨大な労力が必要となるため、実用化は限られていた。データ処理は最小限に抑えられ、サンプル密度も必然的に低かった。
センサーの感度向上や新たな手法の開発が進む一方で、最も重要な進歩は、データの自動記録と大量のデータを処理できるコンピュータの登場である。測量機器の性能向上と自動化により、広範囲を迅速に測量することが可能になった。また、迅速なデータ収集によって、微細な特徴や微妙な構造を解明するために必要な高密度なサンプルを得ることも容易になった。さらに、処理・画像処理ソフトウェアの進歩により、地球物理データの中に存在する微細な考古学的パターンを検出、表示、解釈することが可能になった。
{{cite web}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク)考古学における地球物理学的探査手法の概要については、以下の文献を参照されたい。