Wat archeologen wel heel graag willen, is het bodemarchief in kaart brengen: een inventaris aanleggen van de plaatsen waar mogelijk interessant materiaal in de grond zit. Bij het veldonderzoek dat hierbij vaak nodig is, maken geofysische technieken het mogelijk een kijkje in de bodem te nemen zonder dat er een spa de grond in hoeft. De grond wordt als het ware doorgelicht. In Nederland is hiermee veel ervaring opgedaan door de Stichting RAAP (Regionaal Archeologisch Archiverings Project), een stichting die inwoont bij de Universiteit van Amsterdam. RAAP is in 1985 begonnen met overheidssubsidie als 'werkverruimende maatregel' en krijgt intussen bijna al haar inkomsten door opdrachten van gemeenten, provincies, ministeries en de Landinrichtingsdienst. Het regionale karakter is er wel af. De stichting heeft het afgelopen jaar 50 lokaties, over het hele land verspreid, beoordeeld op hun waarde voor het archeologisch bodemarchief. In 22 gevallen kwamen de bewuste geofysische meetmethoden van pas.
Eïén zo'n techniek is meting van plaatselijke afwijkingen van het aardmagnetisch veld. Metalen voorwerpen kunnen daarvoor verantwoordelijk zijn, maar ook bakstenen en ander keramiek. Klei bevat magnetische ijzeroxydedeeltjes die gewoonlijk schots en scheef door elkaar heen liggen, waardoor ze elkaars magnetisme opheffen. Tijdens de afkoeling na het bakken krijgen deze deeltjes de kans om zich naar het plaatselijke aardmagnetisch veld te richten. Ook wordt bij het bakken de ene vorm van ijzeroxyde (hematiet) in een andere, meer magnetische (magnetiet) omgezet. Bakstenen zijn dus licht magnetisch, en een muurtje zal het veld van de Aarde een beetje verstoren. Magnetische storingen wijzen op wat in het archeologische jargon 'brandsporen' worden genoemd. Dat zijn geen geblakerde houtresten, maar de gevolgen van de werking van hitte op klei. Het kunnen bijvoorbeeld ook de resten van stenen ovens zijn.
RAAP gebruikt onder andere een magnetometer, een instrument dat magnetische sensoren heeft op twee verschillende hoogtes en het verschil bepaalt tussen de meetwaarden van deze sensoren. Bij een ongestoord aardmagnetisch veld is dit verschil vrijwel nul: het veld is homogeen. Door de verschilmeting heeft de gebruiker van de magnetometer geen last van de dagelijkse variaties van het aardmagnetisch veld zelf, ten gevolge van de invloed van de zon. Alleen de verstoringen worden zo meegenomen.
Het hoeven niet per se 'brandsporen' te zijn. Sommige bacteriën produceren magnetiet of magnetisch ijzersulfide. Ze doen dat op plaatsen die rijk zijn aan organische stof zoals sloten of paalgaten. Die zou je dus met een magnetometer moeten kunnen terugvinden. RAAP-medewerekr Joep Orbons: 'In Engeland krijgen ze dat voor elkaar; mij is het in Nederland nooit gelukt. Maar laatst was ik zelf even in Engeland en prompt vond ik greppels. Het kan zijn dat het in de Nederlandse grond zo vochtig is, dat het magnetiet snel weer oplost. We weten dat nog niet.'
Een terrein dat met de magnetometer wordt onderzocht, wordt in een groot aantal vakjes verdeeld van ongeveer 25 centimeter in het vierkant. In elk vakje wordt dan een meting verricht die in de magnetometer zelf wordt opgeslagen. De magnetometer houdt qua uiterlijk het midden tussen een wandelstok en een bermpaaltje. Nadat het hele terrein zo is opgemeten, wordt het geheugen van de magnetometer geleegd in een draagbare computer, die desgewenst ter plekke een kaart kan produceren van ondergronds magnetisch materiaal. Als het om baksteenresten gaat, kan dat een verbazend geloofwaardige plattegrond van een kasteel opleveren.
Een goed voorbeeld is het kasteel Merkenburg, waarvan de overblijfselen te vinden zijn tussen het Utrechtse dorp Schalkwijk en het Amsterdam-Rijnkanaal. Het kasteel stond daar tot ongeveer het jaar 1400, werd afgebroken, waarna het meeste puin waarschijnlijk werd hergebruikt bij de bouw van boerderijen in de omgeving. De precieze plek van het kasteel raakte geleidelijk aan in de vergetelheid. Vier jaar geleden identificeerde RAAP de restanten met behulp van de magnetometer, onder een weiland dat al geruime tijd de aandacht had getrokken door puinvondsten.
Bij Merkenburg worden op het ogenblik op kleine schaal opgravingen gedaan door amateur-archeologen. In verband met de instandhouding van het bodemarchief moeten zij daarmee buiten de voormalige slotgracht blijven. Zo is een andere nuttige functie geïllustreerd van de magnetometer (en van verwante apparaten die verderop aan de orde komen): ze kunnen eventueel graafwerk stukken doelgerichter maken. Er kan een gefundeerde keuze gemaakt worden tussen verschillende lokaties, en op een bepaalde lokatie weten de veldwerkers precies waar ze de spa in de grond moeten steken om de belangrijke structuren met rust te laten. Of om die juist te pakken te krijgen: zo heeft recentelijk bij Troje een internationaal team van archeologen met behulp van een magnetometer overblijfselen gevonden van een muur met kennelijke vuurschade die uit dezelfde tijd zou kunnen stammen als de verhalen over de Trojaanse Oorlog. De structuur zal de komende zomer worden opgegraven.
De magnetometer heeft zijn beperkingen. 'Tufsteen geeft geen uitslag op de magnetometer,' aldus Joep Orbons. 'Dus als we Romeinse villa's in kaart brengen moeten we vaak iets anders proberen.' Ook faalt de magnetometer in de buurt van grote bonken metaal en sterke elektrische stromen. Dan is er altijd nog de weerstandsmeting. Dat is een manier om de elektrische weerstand van de bodem in kaart te brengen. De weerstand hangt vooral af van het vochtgehalte van de grond: veel vocht betekent weinig weerstand. Muren bevatten minder vocht dan de omringende grond en worden zo gedetecteerd. Omgekeerd, als in de bodem geen belangrijke variaties in vochtgehalte worden verwacht zal de keus juist niet op de elektrische methode vallen. Zo zijn er tal van factoren die bepalen of er een geofysische methode wordt ingezet, en zo ja welke.
De techniek van de weerstandsmeting komt erop neer dat er een spanning wordt aangelegd tussen een elektrode buiten het veld en een elektrode die aan een soort looprek is bevestigd. De spanning is gewoonlijk 40 Volt, 'maar in stedelijke gebieden heb je veel aardstromen. Dan kies ik voor 100 Volt, dan overstem ik dat wel,' verklaart Orbons strijdlustig. Een tweede elektrode aan het looprek dient om de spanning in de grond te meten op een vaste afstand van de eerste. Tezamen met de stroom die in het circuit loopt is dat een maat voor de weerstand van de grond tussen de twee mobiele elektroden. Hoe verder deze elektroden van elkaar verwijderd zijn, hoe groter de diepte die hierbij wordt 'gezien': die is ongeveer gelijk aan de afstand tussen de elektroden. Maar naarmate deze afstand groter wordt gekozen, neemt de scherpte waarmee in de bodem wordt gekeken af: alle grond tot de gekozen diepte geleidt de stroom en telt zodoende mee.
Net als bij de magnetische methode moet het te onderzoeken perceel in vakjes worden afgewerkt, waarna de computer een beeld produceert. De weerstandsmeting heeft goede diensten bewezen aan de andere kant van Schalkwijk, waar tot tweehonderd jaar geleden het kasteel Schalkwijk stond. Vijf jaar geleden was alleen aan lichte glooiingen in de bodem nog te zien waar de slotgracht het kasteel ooit had omringd. Van het kasteel was helemaal niets meer te zien. Door de nabijheid van de spoorlijn Utrecht-Den Bosch kwam de magnetometer niet in aanmerking; de weerstandsmeting toverde in korte tijd een onberispelijke plattegrond tevoorschijn, die nauwkeurig overeen stemde met tekeningen die van het kasteel bewaard zijn gebleven. De Landinrichtingsdienst, die over het stuk grond gaat, heeft de slotgracht opnieuw laten uitgraven in een poging een soort toeristische attractie te creëren. Sindsdien worden de overblijfselen van Kasteel Schalkwijk met rust gelaten - ook door de dagjesmensen.
Er zijn nog tal van andere technieken om in de bodem te kijken, maar het gebruik daarvan is in Nederland niet van betekenis. Radar bijvoorbeeld wordt in Engeland wel gebruikt. Voor Nederland is de hoge grondwaterstand weer het struikelblok. Joep Orbons: 'Het grondwateroppervlak werkt voor radar als een spiegel. Die zit vaak al op een halve meter diepte, en voorbij die spiegel zie je niks.' Ook zonder grondwater moet je er volgens Orbons 'enorm mee uitkijken' omdat de resultaten zo moeilijk te interpreteren zijn. 'Maar de laatste twee jaar is er veel vooruitgang geboekt dus mogelijk is de techniek over een aantal jaren wel bruikbaar.' Met radar is het in principe mogelijk om een meter of tien diep te kijken.
In het buitenland komt het voor dat archeologen remote sensing- technieken toepassen. Het gaat dan vooral om infraroodfotografie en radar vanuit vliegtuigen. NASA heeft daarvoor speciaal een archeoloog in dienst. Het blijkt dat archeologisch interessante kenmerken zoals prehistorische paden haarscherp op een luchtfoto verschijnen als je maar zo slim (of gelukkig) bent om de juiste golflengte te selecteren. Vooral ver infrarode (warmte-)straling is geschikt, want zulke resten vertonen verschillen in structuur met de omliggende bodem. Daardoor zullen ze zonnewarmte anders absorberen en weer uitzenden. Als de begroeiing zulke waarnemingen belet, en zelf de verschillen in bodemeigenschappen niet weerspiegelt, is radar soms een alternatief. Aan het Instituut voor Prae- en Protohistorie van de Universiteit van Amsterdam loopt sinds kort een onderzoek naar de mogelijkheden voor de Nederlandse oudheidkunde van waarnemingen vanuit vliegtuigen van warmtestraling en met behulp van radar. Universitair docent dr. Willy de Vries, die het onderzoek begeleidt: 'Wij zoeken naar bestaande opnamen, bijvoorbeeld bij de Landbouwuniversiteit. Zelf vluchten laten uitvoeren is voor ons te duur. Wel heeft de Kustwacht onlangs een paar gratis proefvluchten aangeboden en die zullen binnenkort plaatsvinden. Persoonlijk ben ik ervan overtuigd dat de archeologie iets aan zulke waarnemingen kan hebben. We gaan nu onderzoeken wat dan precies.'
Geen van de beschreven technieken is overigens volkomen nieuw. Weerstandsmetingen bestonden al in 1918; het principe van de magnetometer is in de jaren '50 al gebruikt. Er zijn nieuwe mogelijkheden dank zij vooruitgang in andere sectoren van de techniek. Gegevens kunnen automatisch en dus veel sneller worden verzameld, bewerkt, gevisualiseerd en gecombineerd met andere, bijvoorbeeld geografische data. Ook infraroodfotografie ken al decennia archeologische toepassingen. Het gaat daarbij om 'nabij' infrarood: elektromagnetische straling met een golflengte dicht bij die van zichtbaar licht. Het praktisch gebruik van waarnemingen in het verre infrarood is wel nieuw. Dat is met fototoestellen niet mogelijk; daar zijn speciale scanners voor nodig.
Inmiddels werkt Joep Orbons ook met 'pseudoprofielen', weerstandsmetingen langs een lijn waarbij op ieder meetpunt achtereenvolgens verschillende elektrodenafstanden worden toegepast. Zo worden op elke plek langs de gekozen lijn plakken grond van verschillende dikte bekeken. Zulke verkennende waarnemingen kunnen dienen om te bepalen op welke diepte men zich moet richten - soms is dat niet op elk punt van het terrein hetzelfde. 'Voor de archeologie is dit hartstikke nieuw,' verklaart Orbons trots. RAAP-onderzoekster Karin Anderson promoveert eind dit jaar op de bruikbaarheid van de weerstands- en magnetometermetingen in Nederland. Het is voor een groot deel een kwestie van ervaring opdoen, meent zij. 'In ongeveer de helft van de gevallen krijgen we nu een positief resultaat, dat wil zeggen dat we iets vinden dat de moeite waard is. Als we niets meten, kunnen we daar jammer genoeg niet uit afleiden dat er ook niets zit.'