The role of hydrographic surveys and geophysical investigations for the promotion of underwater cultural heritage: a case study off Methoni, Greece

Abstract

This thesis aims at presenting in all four dimensions the Underwater Cultural Heritage (UCH) resources that have the potential for being drivers of sustainable growth in Methoni (Greece), and assessing the processes that affect these resources, their management or the environment, through the results of the ‘Evolved GE.N.ESIS Project’ and the interactive examination of acquired and integrated hydrographic, geophysical and geospatial data. To that end, the objectives of this thesis are (a) to document in 3D the local wreck ruins, the nearshore submerged prehistoric settlement, the ancient harbour and breakwater using hydrographic and geophysical methods, and assess the physical processes that impact the UCH assets and vice versa; (b) to present the benefits of 3D modelling, and 4D synthesis and correlation of marine geophysical data for analysis and visualisation of shipwreck ruins or artefacts, and for interpretation of the physical processes affecting the wreck sites; (c) to explore shipwrecks and features of potential archaeological interest, not previously documented; (d) to provide a reliable, high resolution baseline bathymetric surface of the Methoni bay, to which past and future bathymetric surfaces can be compared to, for understanding and monitoring the local physical processes and erosion patterns; (e) to assess the short-term evolution of the local marine archaeological sites; and (f) to evaluate techniques and instrumentation for geoarchaeological project investigations, and suggest good practices for geophysical data process and UCH management towards local sustainable growth. Background information is given for understanding the physical environment where Methoni and the local archaeological sites lie and a historical review of the city is presented as well as the archaeological background of the area. Furthermore, the socio-economic background of the region is presented, its potential for economic growth and the way this thesis contributes to local sustainable growth. A detailed description on the survey design, the instrumentation and assets used for the project fieldwork, and on the data acquisition, process and management tactics is then reported, followed by the results from the investigation of six wreck sites, the submerged prehistoric settlement site, and the Methoni ancient harbour. Among the results of this thesis, the study of a number of wreck sites showcases how 3D synthesis of geophysical data supports the interpretation of underwater cultural resources and wreck site formation processes, as well as the assessment of a site’s archaeological potential. The study also presents good practices of bathymetric data rendering for realistic shipwreck representation and a proposed method of data post-process for fast and reliable detection of wrecks. Besides, it highlights the significance of temporal data fusion for interpretation of wreck site geomorphological evolution and showcases the limitations of geophysics for site investigation under certain conditions. The created 3D bathymetric model of the ancient harbour represents in detail the local maritime infrastructure and clarifies the significance of Methoni as a regional seaborne trade node, while the created 3D model of the ruins of the submerged prehistoric settlement highlights the potential extent and the physical condition of the settlement, as well as the interaction between the UCH resources and the physical processes. This thesis concludes that a blue growth model based on the promotion, exploitation and management of the local UCH resources and the establishment of an underwater archaeological park off Methoni should be implemented and that the role of hydrographic surveys and marine geophysical investigations is crucial for the promotion of UCH. Such a model should follow a management plan integrated into a wider coastal management plan and should be based on the principles of heritage preservation, public access and environmental protection. This thesis practically presents the power of hydrography and marine geophysics to highlight the UCH resources that have the potential for being drivers of sustainable growth in the context of such a model. Through the ‘Evolved GE.N.ESIS Project’, shipwrecks and features of potential archaeological interest were explored and a wreck of archaeological interest was discovered close to the shore. A large number of features of archaeological interest were also found and mapped while more are evidently lying under the seafloor. This thesis bridges the research gap on the benefits of 3D modelling and 4D synthesis and correlation of marine geophysical and geospatial data in a common framework, for analysis and visualisation of shipwreck ruins or artefacts, and for interpretation of the physical processes affecting the wreck sites and vice versa. The interactive correlation of fused data in a common 3D framework has been proved to provide reliable and fast detection of features of archaeological interest over and under the seafloor, 3D digital representation of the ruins of the shipwrecks along the Methoni nearshore zone, support on UCH feature evolution analysis and degradation monitoring. The interactive correlation of fused data also highlights the bad physical condition of the wrecks and the existence of valuable and vulnerable at the same time artefacts across the wreck sites, hence urgent measures for protecting the UCH assets should be taken. Wreck ruins have been found to exist far beyond the surficial wreck mounds and there is a specific case that the assessed dimensions of wreck-related material reveal the existence of a potentially large wrecked vessel for which further archaeological information is needed. The 3D bathymetric model of the ancient harbour and breakwater has been created representing in detail the current state of the local harbour infrastructure and clarifying the significance of Methoni as a regional seaborne trade node. The ruins of the submerged prehistoric settlement off Methoni have also been documented in 3D, its potential extend has been assessed including its buried part under the seafloor, while a site formation process has been suggested. Short-term spatio-temporal data synthesis over wreck sites has revealed distinct signatures of seafloor processes and provides knowledge on the wreck sites’ morphological evolution through time. Analysis of data, highlights sediment transport and current circulation processes, which are important for understanding the wrecks’ preservation potential, and their suitability as diving sites. Spatio-temporal data also highlight the degradation of underwater archaeological resources by scattering due to the wave and current action and their disturbance by intentional movement or decomposition due to human activities. The analysis of available data at a short temporal scale implies wreck site arrangements largely controlled by high-energy storm events and indicates complex coastal processes involving longshore, cross-shore sediment transport and local sediment redistribution. This thesis concludes that, the overall potential of exploitation of sites within the project area is high but is slowly declining due to scattering of the settlement and the wreck ruins material. Further results from research on long-term temporal scales need to be drawn, since the sedimentological interpretations are controlled by the temporal variability of data records and may exceedingly acknowledge or may not acknowledge at all storm-dominated processes. At a more technical context, techniques and instrumentation for geoarchaeological project investigations were evaluated and good practices for data process are proposed. Future work should focus on studying the sediment transport / redistribution processes, their time scales, the implications of future site vulnerability, and to produce high-resolution models of wreck sites formation. The availability of long-term temporal data will provide further conclusions on the UCH resources degradation, the local hydrodynamic regime, the sediment transport / redistribution processes across the project area, the beach rotation patterns, the shoreline evolution and the possible need for beach erosion protection works. The UCH resources off Methoni are a prominent and sensitive component of the local coastal system. They are vulnerable to the climate change and to the impact from human activities, and they interact with the physical processes. These interactions, long-term vulnerabilities, and socioeconomic impacts need to be documented and monitored in an interdisciplinary approach. Ultimately, this thesis demonstrates that the UCH resources off Methoni, as a whole asset, have a strong potential for driving socioeconomic growth, through the development of cultural and recreational maritime tourism. However, the proposed implementation of an underwater archaeological park needs to be conducted in the context of a site management plan acknowledging the interactions between the UCH, the human activities and the physical processes, for which long-term temporal data needs to be acquired and studied. Future repetitive interdisciplinary research in the area would give the complete picture of the UCH potential for driving socioeconomic growth in a sustainable way.

Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει στις τέσσερις διαστάσεις τους πόρους της Υποθαλάσσιας Πολιτιστικής Κληρονομιάς που έχουν τη δυναμική μόχλευσης της βιώσιμης ανάπτυξης στη Μεθώνη (Ελλάδα) και αξιολογεί τις θαλάσσιες διεργασίες που επηρεάζουν αυτούς τους πόρους, τη διαχείρισή τους ή το περιβάλλον, μέσω των αποτελεσμάτων του προγράμματος «Evolved GE.N.ESIS» και της διαδραστικής εξέτασης συλλεχθέντων υδρογραφικών, γεωφυσικών και γεωχωρικών δεδομένων. Οι στόχοι αυτής της διατριβής είναι: (α) να τεκμηριώσει τρισδιάστατα τα τοπικά κατάλοιπα ναυαγίων, τον καταποντισμένο προϊστορικό οικισμό, το αρχαίο λιμάνι και τον κυματοθραύστη χρησιμοποιώντας υδρογραφικές και γεωφυσικές μεθόδους και να αξιολογήσει τις φυσικές διεργασίες που επηρεάζουν τις ενάλιες αρχαιότητες και το αντίστροφο (β) να παρουσιάσει τα οφέλη της τρισδιάστατης μοντελοποίησης και της τετραδιάστατης σύνθεσης και συσχέτισης θαλάσσιων γεωφυσικών δεδομένων για ανάλυση και οπτικοποίηση καταλοίπων ή τεχνουργημάτων ναυαγίων και για ερμηνεία των φυσικών διεργασιών που επηρεάζουν τις τοποθεσίες ναυαγίων (γ) να αναζητήσει ναυάγια και στοιχεία δυνητικού αρχαιολογικού ενδιαφέροντος που δεν έχουν έως τώρα τεκμηριωθεί (δ) να παρέχει μια αξιόπιστη βαθυμετρική επιφάνεια αναφοράς υψηλής ευκρίνειας του κόλπου της Μεθώνης, με την οποία μπορούν να συγκριθούν παλαιότερες και μελλοντικές βαθυμετρικές επιφάνειες, για την κατανόηση και την παρακολούθηση των τοπικών φυσικών διεργασιών και μοντέλων διάβρωσης(ε) να αξιολογήσει τη βραχυπρόθεσμη εξέλιξη των τοπικών θαλάσσιων αρχαιολογικών χώρων και (στ) να αξιολογήσει τις τεχνικές και τα όργανα για τις γεωαρχαιολογικές έρευνες και να προτείνει καλές πρακτικές για την επεξεργασία γεωφυσικών δεδομένων και τη διαχείριση της Υποθαλάσσιας Πολιτιστικής Κληρονομιάς, με σκοπό την τοπική βιώσιμη ανάπτυξη. Δίνονται βασικές πληροφορίες για την κατανόηση του φυσικού περιβάλλοντος όπου βρίσκεται η Μεθώνη και οι τοπικοί αρχαιολογικοί χώροι και παρουσιάζεται μια ιστορική αναδρομή της πόλης καθώς και το αρχαιολογικό υπόβαθρο της περιοχής. Επιπλέον, παρουσιάζεται το κοινωνικοοικονομικό υπόβαθρο της περιοχής, η δυναμική για οικονομική ανάπτυξη και ο τρόπος με τον οποίο αυτή η διατριβή συμβάλλει στην τοπική βιώσιμη ανάπτυξη. Στη συνέχεια γίνεται λεπτομερής περιγραφή του σχεδιασμού της έρευνας, των οργάνων και των μέσων που χρησιμοποιήθηκαν για την εργασία πεδίου, καθώς και της συλλογής δεδομένων, της διαδικασίας και των τακτικών διαχείρισης, ακολουθούμενη από τα αποτελέσματα της έρευνας σε έξι τοποθεσίες ναυαγίων, τον καταποντισμένο προϊστορικό οικισμό, και το αρχαίο λιμάνι της Μεθώνης. Μεταξύ των αποτελεσμάτων αυτής της διατριβής, η μελέτη ναυαγίων δείχνει πώς η τρισδιάστατη σύνθεση γεωφυσικών δεδομένων υποστηρίζει την ερμηνεία των υποθαλάσσιων πολιτιστικών πόρων και των διαδικασιών εξέλιξης των τόπων του ναυαγίου, καθώς και την αξιολόγηση του αρχαιολογικού δυναμικού της τοποθεσίας. Η μελέτη παρουσιάζει επίσης καλές πρακτικές απόδοσης βαθυμετρικών δεδομένων για ρεαλιστική αναπαράσταση ναυαγίων και μια προτεινόμενη μέθοδο μετεπεξεργασίας δεδομένων για γρήγορη και αξιόπιστη ανίχνευση ναυαγίων. Επιπλέον, υπογραμμίζει τη σημασία της σύντηξης χρονικών δεδομένων για την ερμηνεία της γεωμορφολογικής εξέλιξης των θέσεων ναυαγίων και παρουσιάζει τους περιορισμούς των θαλάσσιων γεωφυσικών ερευνών για τη διερεύνηση ναυαγίων υπό ορισμένες συνθήκες. Το τρισδιάστατο βαθυμετρικό μοντέλο του αρχαίου λιμανιού διευκρινίζει τη σημασία της Μεθώνης ως περιφερειακού θαλάσσιου εμπορικού κόμβου, ενώ το δημιουργημένο τρισδιάστατο μοντέλο των ερειπίων του βυθισμένου προϊστορικού οικισμού αναδεικνύει την πιθανή έκταση και τη φυσική κατάσταση του οικισμού, καθώς και την αλληλεπίδραση μεταξύ των υποθαλάσσιων αρχαιολογικών πόρων και των φυσικών διεργασιών. Η παρούσα διατριβή καταλήγει στο συμπέρασμα ότι θα πρέπει να εφαρμοστεί ένα μοντέλο γαλάζιας ανάπτυξης βασιζόμενο στην ανάδειξη, εκμετάλλευση και διαχείριση των τοπικών υποθαλάσσιων πολιτιστικών πόρων και στην ίδρυση ενός υποθαλάσσιου αρχαιολογικού πάρκου στα ανοιχτά της Μεθώνης, και ότι ο ρόλος των υδρογραφικών και θαλάσσιων γεωφυσικών ερευνών είναι κρίσιμος για την προώθηση των υποθαλάσσιων πόρων. Ένα τέτοιο μοντέλο πρέπει να ακολουθεί ένα σχέδιο διαχείρισης ενσωματωμένο σε ένα ευρύτερο σχέδιο διαχείρισης της παράκτιας ζώνης και να βασίζεται στις αρχές της προστασίας της πολιτιστικής κληρονομιάς, της πρόσβασης του κοινού σε αυτή και της προστασίας του περιβάλλοντος. Αυτή η διατριβή πρακτικά παρουσιάζει τη δύναμη της υδρογραφίας και των θαλάσσιων γεωφυσικών ερευνών να αναδεικνύουν τους υποθαλάσσιους πόρους πολιτιστικής κληρονομιάς που έχουν τη δυναμική να συνεισφέρουν στη βιώσιμη ανάπτυξη στο πλαίσιο ενός τέτοιου μοντέλου. Μέσω του προγράμματος «Evolved GE.N.ESIS», εξερευνήθηκαν ναυάγια και στοιχεία δυνητικού αρχαιολογικού ενδιαφέροντος και ανακαλύφθηκε ένα ναυάγιο αρχαιολογικού ενδιαφέροντος κοντά στην ακτή. Εντοπίστηκε και χαρτογραφήθηκε ένας μεγάλος αριθμός σχηματισμών αρχαιολογικού ενδιαφέροντος, ενώ περισσότεροι βρίσκονται προφανώς κάτω από τον πυθμένα της θάλασσας. Αυτή η διατριβή γεφυρώνει το ερευνητικό χάσμα σχετικά με τα οφέλη της τρισδιάστατης μοντελοποίησης και της τετραδιάστατης σύνθεσης και συσχέτισης θαλάσσιων γεωφυσικών και γεωχωρικών δεδομένων σε ένα κοινό γεωγραφικό πλαίσιο, για ανάλυση και απεικόνιση καταλοίπων ή τεχνουργημάτων ναυαγίων και για ερμηνεία των φυσικών διεργασιών που επηρεάζουν τις τοποθεσίες ναυαγίου και αντίστροφα. Η διαδραστική συσχέτιση συγχωνευμένων δεδομένων σε μια κοινή τρισδιάστατή γεωγραφική πλατφόρμα αποδεικνύεται ότι παρέχει αξιόπιστο και γρήγορο εντοπισμό σχηματισμών αρχαιολογικού ενδιαφέροντος πάνω και κάτω από τον πυθμένα, τρισδιάστατη ψηφιακή αναπαράσταση των καταλοίπων των ναυαγίων κατά μήκος της παράκτιας ζώνης της Μεθώνης, υποστήριξη της ανάλυσης της εξέλιξης των υποθαλάσσιων πόρων και παρακολούθηση της υποβάθμισής τους. Η διαδραστική συσχέτιση των συγχωνευμένων δεδομένων υπογραμμίζει επίσης την κακή κατάσταση των καταλοίπων των ναυαγίων και την ύπαρξη πολύτιμων και ευάλωτων ταυτόχρονα αντικειμένων στις τοποθεσίες των ναυαγίων, επομένως πρέπει να ληφθούν επείγοντα μέτρα για την προστασία των υποθαλάσσιων αρχαιολογικών πόρων. Ερείπια ναυαγίων έχουν βρεθεί ότι υπάρχουν πολύ πέρα ​​από τους επιφανειακούς τύμβους ναυαγίων και παρουσιάζεται συγκεκριμένη περίπτωση που οι εκτιμώμενες διαστάσεις καταλοίπων που σχετίζονται με ναυάγιο αποκαλύπτουν την ύπαρξη ενός δυνητικά μεγάλου ναυαγίου για το οποίο χρειάζονται περαιτέρω αρχαιολογικές πληροφορίες. Το τρισδιάστατο βαθυμετρικό μοντέλο του αρχαίου λιμανιού και του κυματοθραύστη έχει δημιουργηθεί αναπαριστώντας λεπτομερώς την τρέχουσα κατάσταση της τοπικής λιμενικής υποδομής και διευκρινίζοντας τη σημασία της Μεθώνης ως περιφερειακού θαλάσσιου εμπορικού κόμβου. Τα ερείπια του βυθισμένου προϊστορικού οικισμού στα ανοιχτά της Μεθώνης έχουν επίσης τεκμηριωθεί τρισδιάστατα, έχει αξιολογηθεί η πιθανή έκτασή του, συμπεριλαμβανομένου του θαμμένου τμήματος του κάτω από τον πυθμένα της θάλασσας, ενώ έχει προταθεί και η διαδικασία εξέλιξης / σχηματισμού της τοποθεσίας. Η βραχυπρόθεσμη σύνθεση χωροχρονικών δεδομένων στις τοποθεσίες ναυαγίων έχει αποκαλύψει διακριτές υπογραφές διεργασιών στον πυθμένα της θάλασσας και παρέχει γνώση για τη μορφολογική εξέλιξη των τοποθεσιών ναυαγίου μέσα στο χρόνο. Η ανάλυση των δεδομένων, υπογραμμίζει τη μετακίνηση ιζημάτων και τις τρέχουσες διαδικασίες θαλάσσιας κυκλοφορίας, οι οποίες είναι σημαντικές για την κατανόηση των δυνατοτήτων προστασίας των ναυαγίων και την καταλληλότητά τους ως καταδυτικό προορισμό. Τα χωροχρονικά δεδομένα υπογραμμίζουν επίσης την υποβάθμιση των υποθαλάσσιων αρχαιολογικών πόρων με αποσύνθεση λόγω της δράσης του κύματος και του ρεύματος και τη διαταραχή τους από σκόπιμη κίνηση ή αποσύνθεση λόγω ανθρώπινων δραστηριοτήτων. Η ανάλυση των διαθέσιμων δεδομένων σε βραχεία χρονική κλίμακα δίνει συμπεράσματα για το σχηματισμό τοποθεσιών ναυαγίων που ορίζονται σε μεγάλο βαθμό από καταιγίδες και υποδεικνύει περίπλοκες παράκτιες διεργασίες που περιλαμβάνουν παράκτια και εγκάρσια ως προς την ακτή μεταφορά ιζημάτων και τοπική ανακατανομή ιζημάτων. Η παρούσα διατριβή καταλήγει στο συμπέρασμα ότι η συνολική δυνατότητα εκμετάλλευσης των αρχαιολογικών τοποθεσιών είναι υψηλή, αλλά μειώνεται αργά λόγω της διασποράς του δομικού υλικού του οικισμού και του υλικού των καταλοίπων των ναυαγίων. Περαιτέρω αποτελέσματα πρέπει να εξαχθούν από έρευνες σε μακροπρόθεσμες χρονικές κλίμακες, καθώς οι ιζηματολογικές ερμηνείες ελέγχονται από τη χρονική μεταβλητότητα των δεδομένων και μπορεί να υπερεκτιμούν ή να μην αναγνωρίζουν καθόλου διεργασίες που κινητοποιούνται από καταιγίδες. Σε πιο τεχνικό πλαίσιο, αξιολογήθηκαν τεχνικές και όργανα για τις γεωαρχαιολογικές έρευνες και προτείνονται καλές πρακτικές για την επεξεργασία δεδομένων. Μελλοντικές εργασίες πεδίου πρέπει να επικεντρωθούν στη μελέτη των διαδικασιών μεταφοράς/ανακατανομής ιζημάτων, των χρονικών τους κλιμάκων, των επιπτώσεων της ευπάθειας του τόπου και στην παραγωγή μοντέλων υψηλής ανάλυσης της εξέλιξης των τοποθεσιών ναυαγίων. Η διαθεσιμότητα μακροπρόθεσμων χρονικών δεδομένων θα αναδείξει περαιτέρω συμπεράσματα σχετικά με την υποβάθμιση των ενάλιων αρχαιοτήτων, το τοπικό υδροδυναμικό καθεστώς, τις διαδικασίες μετακίνησης / ανακατανομής ιζημάτων στην περιοχή, το μοντέλο εναλλαγής ταξινόμησης της ακτής, την εξέλιξη της ακτογραμμής και την πιθανή ανάγκη για προστασία της από τη διάβρωση. Οι υποθαλάσσιοι αρχαιολογικοί πόροι ανοιχτά της Μεθώνης αποτελούν εξέχον και ευαίσθητο στοιχείο του τοπικού παράκτιου συστήματος. Είναι ευάλωτοι στην κλιματική αλλαγή και στις επιπτώσεις από τις ανθρώπινες δραστηριότητες και αλληλεπιδρούν με τις φυσικές διεργασίες. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις, οι μακροπρόθεσμες ευπάθειες και οι κοινωνικοοικονομικές επιπτώσεις πρέπει να τεκμηριώνονται και να παρακολουθούνται με διεπιστημονική προσέγγιση. Αυτή η διατριβή καταδεικνύει ότι οι υποθαλάσσιοι αρχαιολογικοί πόροι ανοιχτά της Μεθώνης, στο σύνολό τους, έχουν ισχυρή δυναμική για υποστήριξη της κοινωνικοοικονομικής ανάπτυξης, μέσω της ανάπτυξης του πολιτιστικού και θαλάσσιου τουρισμού. Ωστόσο, η προτεινόμενη υλοποίηση ενός υποβρύχιου αρχαιολογικού πάρκου πρέπει να διεξαχθεί στο πλαίσιο ενός σχεδίου διαχείρισης του χώρου που θα αναγνωρίζει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ενάλιων αρχαιοτήτων, των ανθρώπινων δραστηριοτήτων και των φυσικών διεργασιών, για τις οποίες πρέπει να ληφθούν και να μελετηθούν μακροπρόθεσμα χρονικά δεδομένα. Η μελλοντική επαναλαμβανόμενη διεπιστημονική έρευνα στην περιοχή μπορεί να δώσει την πλήρη εικόνα του δυναμικού των υποθαλάσσιων αρχαιολογικών πόρων για την προώθηση μιας βιώσιμης τοπικής κοινωνικοοικονομικής ανάπτυξης.