Original paper

Analysis and 3D visualization of Mediterranean subsurface karst features based on tomographic mapping (Zominthos, Central Crete)

Siart, Christoph; Hecht, Stefan; Bakti, Barbara Brilmayer; Holzhauer, Ingmar

Abstract

Sediment-filled karst depressions (e.g. dolines, uvalas) were investigated in the Central Cretan Ida Mountains in terms of their subsurface geomorphology (geometrical and geophysical properties) and their function as geoarchives (sedimentological characteristics). A multi-component approach was developed using electrical resistivity tomography (ERT) and seismic refraction tomography (SRT) on-site and off-site at the archaeological site of Zominthos (Minoan settlement complex; ∼1650 B.C.). Quality and accuracy of geophysical techniques as well as their applicability to near-surface karst were cross-checked with sediment borings. Subsequent data analysis was based on latest GIS and visualization techniques and created a virtual 3D model of the buried relief respectively the compact bedrock surface, which illustrates the subsurface karst topography and supports the geomorphological interpretation along with the inference of geoarchaeological implications.The results document that the depressions are filled with more than 20 m of loose material, which offers valuable information about the environmental history (e.g. dynamics of erosion and colluviation). The combined use of ERT and SRT allowed detecting several different subsurface layers, such as the bedrock (R > 1200 Ωm; vp > 2000 m/s), whose heterogeneous and undulating topography exhibits typical features of buried karst systems (sinkholes, bedrock ridges, pinnacles, and cutters). With regard to geophysical prospecting in karst terranes, an integral approach is absolutely necessary to obtain precise data and to avoid difficulties associated with single-method applications (e.g. insufficient resolution, unsatisfactory depth penetration). Tomographic mapping at Zominthos revealed several buried channels, which suggest anthropogenic drainage for water supply during the Bronze Age. Previously unknown archaeological remains (e.g. potential walls) point to extensive settlement activities in the 2nd millennium B.C., which were followed by intense erosion and landscape degradation with backfilling of karstic hollows. Sedimentological analyses demonstrate the prevailing colluvial properties of the fills, which amount to a thickness of at least 10 m below surface. Generating a digital model of the buried karst topography offers a new possibility for substantiated and multiperspective insights into the underground structure of dolines, and thus provides a better spatial understanding of karstic landforms. As demonstrated by our findings, visualization techniques qualify as a further step in geomorphological interpretation since they acknowledge the third dimension and allow linking field data with GIS. Hence, combining geophysics and computerised techniques can contribute significantly to the reconstruction of landscape evolution scenarios.

Kurzfassung

Sedimentverfüllte Karsthohlformen (Dolinen, Uvalas) wurden im zentralkretischen Ida Gebirge hinsichtlich ihrer geomorphologischen Eigenschaften (geometrische und geophysikalische Charakteristika) und ihrer Funktion als Geoarchive untersucht. Hierzu wurde ein multi-methodischer Ansatz auf Basis geoelektrischer (ERT) und refraktionsseismischer Tomographien (SRT) im Bereich der archäologischen Ausgrabung von Zominthos (Minoischer Siedlungskomplex, ∼1650 v. Chr.) angewandt. Anhand begleitender Sedimentbohrungen konnten Qualität und Genauigkeit sowie grundsätzliche Einsatzpotentiale geophysikalischer Prospektionsverfahren für die Sondierung sedimentbedeckter Karstsysteme überprüft werden. Die Datenanalyse und Verarbeitung auf Basis Geographischer Informationssysteme und computergestützter Visualisierungstechniken ermöglichte eine dreidimensionale Modellierung des oberflächennahen Untergruades. Ein digitales Modell des bedeckten Karstreliefs (anstehendes Festgestein) liefert schließlich eine virtuelle Darstelluag der subterranen Topographie und erlaubt umfassende geomorphologische Interpretationen mitsamt Ableitung geoarchäologisch relevanter Aspekte (u.a. bronzezeitliche Wasserversorgung, Nutzung bestimmter Reliefeinheiten für Siedlungsaktiviäten).Die Ergebnisse belegen die Existenz bis zu 20 m mächtiger Lockersedimentakkuniulationen in den Karsthohlformen, welche wertvolle Informationen zur Umweltgeschichte liefern (z.B. Erosions- und Sedimentationsdynamik, anthropogene Landnutzung und archäologische Artefakte). Mit Hilfe des kombinierten Einsatzes von ERT und SRT konnten mehrere unterschiedliche Schichten des oberflächennahen Untergrundes identifiziert werden, insbesondere der Verlauf des basalen Festgesteins (R > 1200 Ωm; vp > 2000 m/s), dessen heterogene und stark undulierende Topographie zahlreiche charakteristische Formen bedeckter Karstsystetne aufweist (z.B. Schlucklöcher, Schlotten, Zinnen). Gemäß vorliegeinder Befunde ist eine geophysikalische Prospektion in Karstgebieten jedoch ausschließlich über ein integrales multi-methodisches Vorgehen möglich, welches sowohl präzise Resultate als auch eine Vermeidung spezifischer Schwierigkeiten im Umgang mit einzelnen Verfahren gewährleistet (z.B. mangelnde Auflösung, unzureichende Tiefenpenetration).Die Sedimenttomographien von Zominthos lassen auf die Existenz mehrerer verfüllter Drainagegräben in unmittelbarer Nähe des Gebäudekomplexes schließen, welche die essentielle Bedeutung einer Wasserversorgung der minoischen Siedlung in einem ansonsten oberflächengewässerlosen hydrologischen Ungunstraum belegen. Bislang unbekannte archäologische Strukturen (potentielle Mauern, Gebäudereste) deuten auf eine extensive Besiedlung während des zweiten vorchristlichen Jahrtausendshin. Wie sich anhand der sedimentologischen Analysen belegen lässt, führten starke Erosionsprozesse seit der Bronzezeit zu einer sukzessiven Verfüllung der angrenzenden Karstdepression. Darin akkumulierte Lockermaterialien besitzen einen eindeutigen kolluvialen Habitus und erreichen Mächtigkeiten von mindestens 10 m.Die digitale Modellierung bedeckter Karstsysteme auf Grundlage von Sedimenttomographien ermöglicht umfassende, multiperspektivische Einblicke in die Struktur des oberflächennahen Urtergrunds von Dolinen und gewährleistet somit ein verbessertes räumliches Verständnis von Karstformen. Computergestützte Visualisierungstechniken eignen sich dabei besonders gut im Rahtnen geomorphologischer Interpretation, da die Integration der dritten Dimension und die gleichzeitige Verknüpfung von Geländedaten mit GIS möglich sind. Die Kombination geophysikalischer und geoinformatischer Methoden kann somit einen wertvollen Beitrag zur Untersuchung landschaftlicher Evolutionsszenarien leisten.

Keywords

sediment-filled karst depressionselectrical resistivity tomographyseismic refraction tomographylandscape evolution