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Andreas Ginau

• No concise picture of the archaeological and palaeoecological evolution can be drawn for the northwestern Nile delta, and archaeological records show significant population dynamics that still need explanation and spur the need for further palaeoenvironmental research. This study delivers a set of new methods especially in the fields of remote sensing and data analytics that can be regarded as important milestones and foundations for further palaeoenvironmental research in the area. Additionally, it shows new insights for individual time slices. This geoarchaeological project is a cooperation with the archaeological excavations of the German Archaeological Institute (DAI) in Buto and Kom el’Gir. It expands the work of Wunderlich (1989) which laid important foundations in understanding the origin of the initial landscape that was later colonized in different cultural stages showing different dynamics, settlement intensities and even long phases of abandonment or breaks in between. This forms the starting point for relating the population dynamics of the different cultural phases reaching from Predynastic (prior to 3150 before Christ) up to the Greco-Roman era (~anno Domini 650) to the environmental history and events that occurred in the area. It is very likely that environmental changes such as the shifting of major water routes, inundation or paludification of larger areas or other environmental events affected settlements and human life in the area. In the fields of remote sensing new methods are presented to complete information on the location of ancient settlements, and complex workflows are developed that allow the tracing of subsurface structures via indirect analysis of vegetation growth in larger time series data. It was verified that a relationship exists between vegetation performance, the appearance of archaeologic material in the topsoil, and the location of former Nile river branches. Together with a new high resolution digital elevation model (DEM) based on TanDEM-X data, new interpretations with a high spatial significance are possible. For individual time slices, namely the Late Dynastic and Greco-Roman era, this work delivers a detailed landscape description suggesting a finely ramified subdelta, with all settlements placed on alluvial levees. This explains the massive increase in settlements in the Ptolemaic, Roman and in particular late Roman periods (4th century before Christ – anno Domini 7th century). We sampled the Nile delta clays together with the channels and the material of the archaeologic excavations in vibracores and profile walls. This geologic inspection of the subsurface together with geochemical results from a handheld portable X-ray fluorescence device (pXRF) allowed new interpretations of the landscape and environmental history. For example, we used geochemical data to distinguish between artificial and natural channels as a measure for the anthropogenic influence, a proxy for past environmental characteristics and lastly as a basis for a new dating method. Many of the channels, for instance, were dated by our own 14C datings, comparisons with the previous work ofWunderlich (1989) and application of new dating approach based on machine learning with artificial neural networks. Additionally, we run a full methodological approach, and examine the applicability of pXRF methods in general, and test the quality of the data to detect distinct geochemical differences between the main settlement phases with advanced methods in data analytics. The dating is based, for example, on the training of artificial neural networks with pXRF data from archaeological material of well-dated context to date test data of cultural layers within the vibracores. With this method the homogeneous Nile alluvium, cultural layers and channels can be dated roughly and, as a result, fundamental changes in the landscape can be linked with the settlement history of Buto and neighboring tells.
• Trotz einer Jahrzehnte Forschungsgeschichte, die das nordwestliche Nildelta erfahren hat, kann noch immer kein zusammenhängendes Bild der archäologischen und paläoökologischen Umweltgeschichte gezeichnet werden. Gerade die im archäologischen Kontext aufgedeckten Populationsschwankungen mit einhergehender Verlagerung bzw. Aufgabe von Siedlungen bedarf der Erforschung der vergangen Umweltbedingungen, um Ursachen und Zusammenhänge für ebensolche bedeutenden Entwicklungen zu finden. Um diese Wissenslücken zu schließen, wurden seit 2012 in Kooperation mit dem Deutschen Archäologischen Institut (DAI) geoarchäologische Forschungen durchgeführt mit dem Ziel, die Arbeiten von Wunderlich (1989), welche Grundlagen im Verständnis des spätpleistozänen bis frühholozänen Entstehungsprozesses dieses Siedlungsraumes geschaffen haben, fortzuführen. Ziel dieser Dissertation ist die Erforschung von Umweltdynamiken während der verschiedenen Besiedlungsphasen in Buto und Umgebung, die durch Populationsschwankungen und langen Phasen der Siedlungsaufgabe gekennzeichnet sind und zeitlich gesehen von der Vorgeschichte (vor 3150 vor Christus) bis hin zur Griechisch-Römischen Zeit (~anno Domini 650) reichen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass die Verlagerung von Flussarmen, Vernässung und Versumpfung von Gebieten oder andere Naturereignisse das Schicksal der Menschen in den verschiedenen Kulturphasen bestimmt haben. Diese Studie liefert eine Fülle an neuen Methoden insbesondere im Bereich der Fernerkundung und Datenanalyse, um genau solche Entwicklungen besser erklären und erforschen zu können. Dabei werden für einzelne Zeitabschnitte neue Erkenntnisse und Grundlagen über den vorgestellten Raum zu Tage gebracht. Die fernerkundlichen Methoden dieser Arbeit zielen darauf ab, das Netzwerk bekannter historischer Siedlungsstätten zu vervollständigen und komplexere fernerkundliche Routinen für Satellitenbildzeitreihen zu entwickeln, die Strukturen im Untergrund dank ihres indirekten Einflusses auf das Pflanzenwachstum sichtbar machen. So konnte ein Zusammenhang zwischen einer hohen Vegetationsleistung der Pflanzen und dem Vorhandensein von archäologischem Material im Oberboden nachgewiesen werden, der auch mit der Nähe zu den früheren Flussarmen korreliert. Vervollständigt werden die fernerkundlichen Methoden durch die Verarbeitung und Analyse von hochaufgelösten global verfügbaren Geländemodellen aus TanDEM-X Daten. Diese eröffnen völlig neue Perspektiven auf das Nildelta und ermöglichen neue Interpretation für diesen Raum in einer für paläoökologische Verhältnisse sehr hohen räumlichen Auflösung. Gerade für den griechische-römischen Zeitabschnitt (viertes Jahrhundert vor Christus – siebtes Jahrhundert nach Christus) konnte ein detailliertes Landschaftsbild mit einem fein aufgegliederten Flussnetz geschaffen werden, an dessen Ufern fast ausschließlich alle historischen Siedlungen liegen, die mit fernerkundlich oder archäologischen Methoden prospektiert wurden. Während verschiedener Geländekampagnen wurden das Delta, die Umgebung der Siedlungen und das Siedlungsmaterial selbst mit Hilfe von Bohrungen und durch Probennahme in anstehenden Profilwänden beprobt. Diese geologische Prospektion, ergänzt um chemische Analysen mit einem handgehaltenen Röntgenfluoreszenzmessgerät (pXRF) sind Kernstück des methodischen Inventars für die angestrebte diachrone Landschafts- und Umweltanalyse. So können auf Basis von geochemischen Daten künstliche und natürliche Rinnen unterschieden, der anthropogene Einfluss detektiert, vergangene Umweltbedingungen mit Elementproxies erhoben und die Sedimente datiert werden. Letzteres ist ein Kernstück dieser Arbeit und stellt eine Möglichkeit dar, die Datierungsmethoden zu erweitern, welche derzeit in Ägypten aufgrund des Ausfuhrverbots limitiert sind. Der gewählte Ansatz basiert auf der Anwendung von Maschinenlernen mit künstlichen neuronalen Netzwerken. Dabei wurde ein ganzheitlicher Untersuchungsansatz gewählt, der die Anwendbarkeit und Qualität von pXRF-Messungen an dem Probenmaterial bewerten soll. In der Datenanalyse wurde mittels multivariater und anderer statistischer Verfahren überprüft, ob es Unterschiede zwischen Siedlungsmaterial und den alluvialen Deltasedimenten gibt und ob sich diese Unterschiede bis hin zu Material aus verschiedenen Kulturphasen verfolgen lassen. Die Datierung basiert auf dem Training des neuronalen Netzwerkes mit Probenmaterial der verschiedenen archäologischen Schichten bekannten Kontextes und der Anwendung auf Material der umgebenden Bohrungen, welche Kulturschichten, Flussrinnen oder anderes beinhalten. Auf diese Weise können die in den Bohrungen zu Tage gebrachten Zeugen der früheren Landschaftsgeschichte mit der Siedlungs- und Kulturgeschichte der archäologischen Grabung zusammengebracht werden.