(pdf-Format, ~80 kByte)
(pdf-Format, ~80 kByte)
| Downloads: |
Zusammenfassung (deutsch) (pdf-Format, ~80 kByte) |
Summary (english) (pdf-Format, ~80 kByte) |
|
disclaimer |
ZUSAMMENFASSUNG: Die Monumente der Nabatäerstadt Petra im Südwesten Jordaniens zählen weltweit zu den bedeutendsten kulturhistorischen Denkmälern. Petra ist für die kulturelle Identität und die sozioökonomische Entwicklung Jordaniens von großer Bedeutung.
Insbesondere die vielen hundert Monumente im anstehenden Gestein zeugen von der einmaligen Architektur und Steinmetztechnik der Nabatäer. An diesen zweitausend Jahre alten Grabbauten und Kultstätten sind Verwitterungsschäden von erheblichem Ausmaß entstanden, so dass diese geschichtlichen und künstlerischen Zeugnisse zunehmend der Zerstörung anheim fallen.
Die Zunahme der Schäden und die daraus erwachsende Gefahr des Verlustes kulturellen Erbes haben in den letzten Jahrzehnten die Erhaltung der peträischen Monumente zu einem internationalen Anliegen werden lassen. Bauwerksgerechte und nachhaltige Schutzmaßnahmen erfordern nach Meinung der Denkmalverantwortlichen und Bausachverständigen eine gesicherte Material- und Schadensdiagnose. Aufgrund des Defizits an Diagnosebefunden war für die Felsbauten Petras die Konzipierung und Durchführung schadensbehebender und schadensvorbeugender Maßnahmen bisher nicht möglich.
Das wissenschaftliche Ziel dieser Arbeit war es, mit der Analyse von Gesteinsinventar / Gesteinseigenschaften und Verwitterungsschäden auf der Grundlage von systematischen Vorort- und Laboruntersuchungen den Kenntnisstand zum Verwitterungsgeschehen an den peträischen Felsmonumenten zu verbessern. Es wurden Untersuchungen zu Ursachen, Prozessen, Merkmalen und Progression der Verwitterung durchgeführt und eine Schadensbewertung vorgenommen. Hierdurch konnte eine von der Denkmalpflege geforderte Entscheidungsgrundlage für Maßnahmenkonzepte zum Schutz der Denkmäler Petras bereitgestellt werden.
Eine Grundlage der detaillierten schadensdiagnostischen Bearbeitungs- und Auswerteschritte war die Kenntnis aller an den Felsmonumenten auftretenden Lithotypen und ihrer petrographischen Eigenschaften. Bisher existierten weder eine differenzierte lithostratigraphische Einteilung der Gesteine noch eine Beschreibung der verwitterungsrelevanten Gesteinseigenschaften. Auf der Grundlage einer umfassenden Begehung der Felsmonumente Petras und der Bestandsaufnahme aller Gesteine wurde unter Berücksichtigung der vorhandenen Einteilung der stratigraphischen Großeinheiten in der Petra-Region eine differenzierte lithostratigraphische Einteilung der klastischen Sedimentgesteine (verschiedene Schluffsteine und Sandsteine) kambrischen und ordovizischen Alters (Umm Ishrin Sandstein Formation, Disi Sandstein Formation) erarbeitet. Diese umfasst fünfundzwanzig Lithotypen, hiervon sechzehn Hauptlithotypen und neun Sublithotypen (Farbvarietäten).
Umfangreiche Laboruntersuchungen ermöglichten die genaue Beschreibung aller Lithotypen hinsichtlich Mineralzusammensetzung, Struktur- und Textureigenschaften, Porositätseigenschaften, hygrischer Eigenschaften und petrophysikalischer Eigenschaften. Die kombinierte Auswertung von Porositätsdaten aus verschiedenen Untersuchungsverfahren erlaubte erstmals die Ermittlung realitätsnaher Porengrößenverteilungen für diese Gesteine. Es konnten charakteristische Unterschiede der Lithotypen bezüglich ihrer petrographischen Eigenschaften aufgezeigt werden.
Tendenziell nehmen von den Schluffsteinen über die sehr feinkönigen Sandsteine und die feinkörnigen Sandsteine zu den mittelkörnigen Sandstein das Korn-Matrix-Verhältnis, die Gesamtporosität, die mittlere Porengröße, die mittlere Größe der Porenöffnungen, das Wasseraufnahme- und Wassereindringvermögen und die Geschwindigkeit / Vollständigkeit der Wasserabgabe zu, während die Anzahl der Kornkontakte, die Gefügeanisotropie, die Porenoberfläche, der Wasserdampfdiffusionswiderstand, die hygrische Dehnung sowie die Festigkeit / Härte abnehmen. Für die drei dominierenden Lithotypen wurden Kornvergröberung und abnehmende Gefügefestigkeit vom stratigraphisch älteren zum jüngeren Gestein festgestellt.
Für einen zusammenfassenden Vergleich der Lithotypen wurde ein die petrographische Bandbreite der Lithotypen berücksichtigendes Bewertungsschema für alle verwitterungsrelevanten Gesteinskenngrößen entwickelt. Die fünfundzwanzig Lithotypen konnten nach Unterschieden bzw. Ähnlichkeiten ihrer Eigenschaften neun petrographischen Hauptklassen mit weiteren acht Unterklassen zugeordnet werden.
Der Verwitterungszustand wurde an Fassaden von zweiundzwanzig repräsentativen Felsengräbern (Gesamtuntersuchungsfläche ~ 4.000 m2) mit Hilfe der Bauwerkskartierung und ergänzender messtechnischer Untersuchungen erfasst. Die von der Arbeitsgruppe „Natursteine und Verwitterung“ am Geologischen Institut der RWTH Aachen entwickelte Methode der Bauwerkskartierung stellt ein bewährtes und international anerkanntes Verfahren dar, mit dem an Steinmonumenten Zustandsinformationen reproduzierbar, mit hoher Genauigkeit, flächendeckend und zerstörungsfrei aufgenommen werden können. Die ursprünglich für aus Werksteinen errichtete Bauwerke entwickelte Methode konnte in Petra erstmals für Bauwerke im anstehenden Gestein eingesetzt werden. Insgesamt wurden mehr als 50.000 Zustandsinformationen erfasst.
Mit Hilfe der Bauwerkskartierung wurden die an den Felsmonumenten auftretenden Lithotypen und ihre Verteilung sowie Art, Intensität und Verteilung aller Verwitterungsformen als die sichtbaren Ergebnisse der durch die Wechselwirkung zwischen Gestein und Verwitterungsfaktoren ausgelösten und gesteuerten Verwitterungsprozesse registriert und dokumentiert. Die Kartierung und die Bearbeitung, Darstellung und Auswertung der Kartierinformationen erfolgten mit Hilfe eines von der Arbeitsgruppe „Natursteine und Verwitterung“ entwickelten Standardklassifikationssystems der Verwitterungsformen und eines selbsterstellten Computerprogramms. Das Standardklassifikationssystem der Verwitterungsformen wurde für die Anwendung an den Felsmonumenten optimiert. Ein Fotoatlas der Verwitterungsformen begleitet das Klassifikationssystem.
Als Grundlage für eine lithotypspezifische Charakterisierung und Bewertung von Verwitterungszuständen wurde der Gesteinsbestand in den Untersuchungsbereichen kartographisch registriert. Die Verteilung der Lithotypen wird in übersichtlicher Weise in den lithologischen Karten dokumentiert. An den meisten Felsmonumenten Petras treten mehrere, oft sehr heterogen verteilte Lithotypen auf.
Für die Kartierung der Verwitterungsformen wurde die höchste Genauigkeitsebene des Klassifikationssystems genutzt. Es wurden ergänzend zur Art einer Verwitterungsform zusätzlich auch ihr Ausmaß mit Hilfe messbarer oder schätzbarer Intensitätsparameter erfasst. Für die übersichtliche Dokumentation der Verteilung der Verwitterungsformen wurden Karten der vier Gruppen der Verwitterungsformen „Gesteinsverlust“, „Gesteinsanlagerung“, „Gesteinsablösung“ und „Gesteinsrisse“ (einschließlich tektonisch bedingter Gesteinsklüfte) erstellt. Anhand der Karten und der quantitativen Auswertungen aller Verwitterungsformen und ergänzender Informationen zu Expositionseigenschaften konnte der Verwitterungszustand jedes Untersuchungsbereiches sehr genau beschrieben werden. Mit insgesamt 44 verschiedenen Einzelverwitterungsformen in jeweils unterschiedlichen Intensitätsstufen, vielen hundert Kombinationen von Verwitterungsformen und sehr heterogenen Verteilungen oder auffälligen Zonierungen von Verwitterungsformen verdeutlichen die Ergebnisse die große Vielfalt der Verwitterungszustände an den Felsmonumenten Petras.
Die kombinierte Auswertung von Informationen aus lithologischer Kartierung und Kartierung der Verwitterungsformen ermöglichte für jeden Lithotyp die Beschreibung seines charakteristischen Verwitterungsformenspektrums unter Berücksichtigung unterschiedlicher Verwitterungsphasen. Hierbei zeigte sich eine deutliche Korrelation der Verwitterungsformenspektren mit den petrographischen Klassen der Lithotypen.
Für die wissenschaftliche und praxisorientierte Bewertung der durch die Verwitterungsformen der Gruppen „Gesteinsverlust“, „Gesteinsanlagerung“ und „Gesteinsablösung“ an den Felsmonumenten erzeugten Schäden wurden Schadensklassen und Schadensindizes genutzt. Für die Bewertung der Gesteinsrisse und Gesteinsklüfte wurde ein gesondertes Bewertungsschema entwickelt. Es wurden sechs Schadensklassen definiert – 0 / kein Schaden, 1 / sehr schwacher Schaden, 2 / schwacher Schaden, 3 / mittlerer Schaden, 4 / starker Schaden, 5 / sehr starker Schaden. In dieser Reihenfolge nehmen Notwendigkeit und Dringlichkeit von Schutzmaßnahmen zu.
Die Ermittlung der Schadensklassen erfolgte auf der Grundlage eines Korrelationsschemas „Verwitterungsformen – Schadensklassen“, das speziell für die Felsmonumente Petras unter Berücksichtigung von Art und Intensität der Verwitterungsformen sowie des hohen historischen und künstlerischen Wertes der Monumente entwickelt wurde. Mit diesem Korrelationsschema wurden alle Verwitterungsformen in Schadensklassen überführt.
Die für die Untersuchungsbereiche ermittelten Schadensklassen wurden in Karten dargestellt und quantitativ ausgewertet. Die Berechnung von Schadensindizes erfolgte aus der Flächenverteilung der Schadensklassen. Sie ermöglichen eine quantitative Gesamtbewertung aller Verwitterungsschäden.
Mit Hilfe der Schadensklassen und Schadensindizes wurde für jeden Untersuchungsbereich das Ausmaß der Verwitterungsschäden bewertet. Hierbei wurden auffällige Schadenszonierungen als Folge unterschiedlicher Lithotypen oder Expositionsverhältnisse besonders herausgestellt. Anhand der Karten der Schadensklassen können diejenigen Bereiche der Monumente lokalisiert werden, an denen Erhaltungsmaßnahmen vorrangig durchzuführen sind.
Für eine zusammenfassende Bewertung der Untersuchungsbereiche hinsichtlich des Schadensausmaßes wurden Rangfolgen der Untersuchungsbereiche nach Schadensindizes ermittelt. Sie zeigen eine große Bandbreite des Zustands der Felsengräber von recht gutem Erhaltungszustand bis zu sehr besorgniserregendem Schadenszustand. Die Rangfolgen korrelieren bei steigendem Schadensindex mit zunehmender Notwendigkeit und Dringlichkeit von Erhaltungsmaßnahmen.
Schadensindizes urden auch getrennt für die einzelnen Lithotypen eines Untersuchungsbereiches ermittelt. Die lithotypbezogenen Schadensindizes wurden für die Bewertung der Verwitterungsanfgälligkeit der Lithotypen mitgenutzt. Ferner verdeutlichen sie, dass Erhaltungsmaßnahmen den Lithotypen und ihren Schädigungsgraden individuell angepasst werden müssen.
Zur Bewertung der verwitterungsbedingten Gesteinsrisse und der tektonisch bedingten Gesteinsklüfte wurde ein riss- und kluftbezogener Schadensindex eingeführt. Anzahl, Länge und Öffnungsweite der Trennelemente und die Größe der Untersuchungsfläche wurden bei seiner Berechnung berücksichtigt. Dieser Schadensindex hat sich als ein aussagekräftiger Kennwert zur Bewertung der durch die Risse und Klüfte erzeugten Schäden erwiesen. Notwendigkeit und Dringlichkeit von Schutzmaßnahmen wie die Stabilitätssicherung und die Vorbeugung von Ausbrüchen können daraus abgeleitet werden.
Der riss und kluftbezogene Schadensindex und die für die Bewertung der Verwitterungsformen der Gruppen „Gesteinsverlust“, „Gesteinsanlagerung“ und „Gesteinsablösung“ genutzten Schadensindizes sind für die Bewertung des Gesamtschadenszustandes und die Ermittlung von Erhaltungsmaßnahmen immer gemeinsam zu berücksichtigen.
Bohrwiderstandsmessungen wurden zur Charakterisierung und Quantifizierung von Verwitterungsprofilen durchgeführt. Es wurden Tiefenprofile der Bohrhärte als Maß für den Festigkeitszustand des verwitterten Gesteins ermittelt. So konnten die häufigsten Formen der Gesteinsablösung mit Festigkeitstiefenprofilen korreliert werden unter Berücksichtigung lithotypabhängiger Unterschiede.
Bezogen auf diese Formen der Gesteinsablösung konnte eine von den kompakteren, feinerkörnigen Sedimentgesteinen zu den gröberkörnigen Sedimentgesteinen zunehmende Tiefenreichweite der oberflächennahen Verwitterungszone aufgezeigt werden.
Ein wichtiger Teilaspekt der Schadensdiagnose waren die Beschreibung, Quantifizierung und Prognose der Verwitterungsprogression. Auf der Grundlage der Bauwerkskartierung wurden für die Felsmonumente Petras erstmals quantitative Informationen zum Verwitterungsfortschritt mit der Möglichkeit von Verwitterungsprognosen erarbeitet. Da keine Informationen zu früheren Verwitterungszuständen der Felsmonumente Petras existieren, wurden hierzu neue Auswerteverfahren entwickelt, die eine Einschätzung des Verwitterungsfortschritts aus aktuellen Befunden zum Verwitterungszustand ermöglichen.
Die Ermittlung von Verwitterungsraten stellt das einfachste Verfahren zur Quantifizierung des Verwitterungsfortschritts dar. Die Berechnung durchschnittlicher Verwitterungsraten erfolgt unter der Berücksichtigung von Gesamtausmaß des eingetretenen Gesteinsverlustes und Alter des Bauwerks. Sie beschreiben die durchschnittliche Tiefe des Gesteinsverlustes als Funktion der Zeit.
Karten der Verwitterungsraten haben die große Bandbreite und heterogene Verteilung der Verwitterungsraten als Folge der verschiedenen Lithotypen und ihrer Expositionsverhältnisse aufgezeigt. Es wurden Verwitterungsraten bis zu 3,5 cm / 100 Jahre festgestellt. Verwitterungsraten wurden auch lithotypbezogen ermittelt. Unter Berücksichtigung vergleichbarer Expositionsverhältnisse der Gesteine am Bauwerk konnten diese Werte auch für eine vergleichende Bewertung der Verwitterungsanfälligkeit der Lithotypen genutzt werden.
Verwitterungsraten erlauben eine quantitative Prognose des Gesteinsverlustes für Einzelflächen eines Untersuchungsbereichs und für den gesamten Untersuchungsbereich. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass Verwitterungsraten einen linearen und damit nicht sehr realistischen Verwitterungsfortschritt beschreiben. Für eine realitätsnähere Beschreibung der Verwitterungsprogression wurden daher zusätzliche Auswerteschritte eingeführt.
Das räumliche Nebeneinander unterschiedlicher Verwitterungsformenspektren spiegelt auch ihre zeitliche Abfolge wider. Es konnten für die an den Felsengräbern dominierenden Lithotypen chronologische Sequenzen der Verwitterungsformen unter Berücksichtigung von Art, Intensität und Kombination von Verwitterungsformen abgeleitet werden. Diese Entwicklungsreihen der Verwitterungsformen stellten die Grundlage für eine Beschreibung des Verwitterungsfortschritts mittels Verwitterungsprogressionsfaktoren dar. Verwitterungsprogressionsfaktoren wurden für alle häufigen Formen der Gesteinsablösung bestimmt.
Ihre Berechnung erfolgte unter Berücksichtigung der Intensität der Gesteinsablösungsform sowie der die Dauer des Ablösungsprozesses anzeigenden Intensität der allochthonen Gesteinsanlagerungen auf den sich ablösenden Gesteinselementen. Hierbei korreliert eine hohe Intensität dieser Gesteinsanlagerungen mit einer langsamen und seltenen Gesteinsablösung, eine geringe Intensität hingegen mit schneller und häufiger Gesteinsablösung.
Die Verwitterungsprogressionsfaktoren ermöglichten erstmals die Berechnung von Verwitterungsprogressionskurven, die das Ausmaß des Gesteinsverlustes zeitabhängig quantifizieren. In der Frühphase der Verwitterung zeigt sich für die am häufigsten auftretenden Lithotypen eine geringe Verwitterungsprogression, in späteren Phasen dagegen eine deutliche Beschleunigung des Verwitterungsfortschritts. Erst in fortgeschrittenen Verwitterungsstadien stellt sich ein annähernd gleichbleibender Verwitterungsfortschritt ein, der bei den gröberkörnigen Gesteinen höher ist als bei den feinerkörnigen Gesteinen.
Die Extrapolation der Verwitterungsprogressionskurven erlaubt Prognosen des Gesteinsverlustes. Diese können sowohl die Tiefe des Gesteinsverlustes als auch - unter Berücksichtigung von Dichtekennwerten und Untersuchungsfläche - das Volumen oder Gewicht des abwitternden Gesteinsmaterials beschreiben. Für stärker verwitterungsgeschädigte Monumente konnte eine Zunahme der durchschnittlichen Tiefe des Gesteinsverlustes um weitere 2 – 3 cm innerhalb der nächsten einhundert Jahre prognostiziert werden. Für einzelne Teilbereiche beträgt die Zunahme der Tiefe des Gesteinsverlustes sogar bis zu 8 cm. Diese Prognosen verdeutlichen die Notwendigkeit und Dringlichkeit von Erhaltungsmaßnahmen.
Die Informationen zu Verwitterungszustand, Schadensausmaß und Verwitterungsfortschritt erlaubten in Zusammenschau eine Bewertung der Verwitterungsanfälligkeit aller an den Felsmonumenten auftretenden Lithotypen.
Die kompakten und homogenen, sehr feinkörnigen Sandsteine sind im Vergleich zu den anderen Lithotypen besonders verwitterungsbeständig. In Richtung der gröberkörnigen Sandsteine steigt die Verwitterungsanfälligkeit mit zunehmender Korngröße, Porosität, Wasserraufnahme- und –eindringvermögen und mit abnehmender Festigkeit infolge geringeren Matrixgehaltes und schlechterer Kornbindung. Diese Sandsteine sind anfällig für schaligen, schuppigen oder körnigen Gesteinszerfall. Die durch starke Gefügeanisotropie gekennzeichneten sehr feinkörnigen Sandsteine und Schluffsteine sind ebenfalls verwitterungsanfällig. Schichtparalleles Aufspalten und bröckeliger Zerfall als Folge dieses Aufspaltens in Kombination mit einer engständiger Gesteinsklüftung sind charakteristisch.
Bisher wurde der Einfluss der Verwitterungsfaktoren und die Charakterisierung der Verwitterungsprozesse kontrovers diskutiert. Die Charakterisierung, Dokumentation und Bewertung der Verwitterungsschäden in Zusammenschau mit den Ergebnissen von ergänzenden mikroklimatischen Untersuchungen an den Felsengräbern und mineralogisch-geochemischen Laboruntersuchungen haben eine zuverlässige Einschätzung der Hauptverwitterungsfaktoren und -prozesse ermöglicht.
An vielen Felsengräbern wurde eine hohe Temperaturbelastung festgestellt. Die Gegenüberstellung von temperaturbelastungsanzeigenden Kennwerten und der das Schadensausmaß charakterisierenden Größen (Schadensklassen, Schadensindizes) hat aber gezeigt, dass die Temperatur als Verwitterungsfaktor und die Temperaturverwitterung als Prozess nicht vorrangig – wie in Arbeiten anderer Autoren oftmals postuliert – die Verwitterungsschäden an den Felsmonumenten verursachen.
Anhand der vorliegenden Untersuchungsergebnisse muss den Faktoren Wasser / Feuchte und Salz ein entscheidender Einfluss auf das Verwitterungsgeschehen an den Felsengräbern beigemessen werden. Überschwemmungen und der Abfluss von Niederschlägen über die Grabfassaden verdeutlichen in Zusammenschau mit den Schäden die mechanische Verwitterungswirksamkeit des Regenwassers. Unterschiedliche Feuchtebelastungen an den Grabfassaden erzeugen typische Verwitterungsformenmuster und korrelieren mit Schadensausmaßen. Für die Schluffsteine und die sehr feinkörnigen Sandsteine stellt die hygrische Zerstörung – Gefügeveränderungen und Gesteinszerfall durch Spannungen im Gestein infolge zyklischer Feuchteänderungen – einen wichtigen Verwitterungsprozess dar.
Die Salzverwitterung hat sich nachweislich als Hauptschädigungsprozess herausgestellt. Art, Menge, Verteilung und Kristallisationszyklen der Salze steuern die Art und Intensität der Gesteinsablösung. Geochemische Untersuchungen an Niederschlagsproben haben ergeben, dass ein großer Anteil der Salze über die Niederschläge in das Gestein eingebracht wird. Wind ist an der Abtragung gelockerten Gesteinsmaterials beteiligt.
Die Gesetzmäßigkeiten der Schadensentwicklungen an den Felsmonumenten in Petra konnten erstmals in statistisch zuverlässiger Weise unter Berücksichtigung der Wechselbeziehungen von Gesteinstypen / Gesteinseigenschaften, natürlichen und anthropogenen Verwitterungsfaktoren, bauwerksspezifischen Einflussgrößen, Verwitterungsprozessen, Verwitterungszustand / Schadenszustand und Verwitterungsprogression beschrieben und erklärt werden. Auf der Grundlage der Ergebnisse können Erhaltungsmaßnahmen für die Felsmonumente gezielt diskutiert werden.
Dies betrifft Sicherungsmaßnahmen, Maßnahmen zur Minderung der Schadensursachen, Maßnahmen zur Behebung eingetretener Schäden und Präventivmaßnahmen gleichermaßen. Die Ergebnisse liefern Hinweise auf Notwendigkeit und Dringlichkeit sowie auf Art und Einsatzlokalität von Erhaltungsmaßnahmen. Sicherung ausbruchgefährdeter Gesteinspartien, Fixierung sich ablösender Gesteinselemente, konstruktive Maßnahmen, Ausbesserung von Fehlstellen, Verfüllung von Rissen / Klüften, Reaktivierung / Neueinrichtung von Wasserablaufanlagen, Kontrolle aufsteigender Feuchte, Entsalzung, Reinigung und Oberflächenschutz stellen wichtige Maßnahmengruppen dar. Die Durchführbarkeit und die Erfolgsaussichten dieser Maßnahmen sollten vorab im Rahmen von Pilotanwendungen sorgfältig überprüft werden.
In der vorliegenden Arbeit wird ein in Forschung und Denkmalpflege anwendbares konsequentes Konzept zur Schadensdiagnose an Steinmonumenten vorgestellt. Die vielfältigen Auswertemöglichkeiten erlauben eine optimale Planung, Durchführung und Kontrolle von Erhaltungsmaßnahmen an Steinbauten. Ebenso kann mit diesem Diagnosekonzept die allseits geforderte Langzeitbeobachtung von historischen Natursteinbauten sachgerecht durchgeführt werden.
SUMMARY: The monuments of the ancient Nabataean city of Petra in Southwest Jordan represent prominent masterpieces of the world´s cultural heritage. Petra is of great importance for the cultural identity and the socio-economic development of Jordan. In Petra many hundred monuments were carved by the Nabataeans from sedimentary bedrocks about 2000 years ago. These rock-cut monuments witness in a most impressive way the unique architectural art and craftsmanship of the Nabataeans. In 1985 Petra was inscribed on the UNESCO list of outstanding World Cultural Heritage.
All monuments have suffered damage from weathering. On many monuments the weathering damage is alarming. In 1998, 2000 and 2002 the World Monuments Fund (WMF) inscribed Petra on the list of the one hundred most endangered monument assemblies of the world. Due to the increase of damage and the danger of further irretrievable loss of cultural heritage, the preservation of the monuments has become an ever-increasing international concern.
Sustainable monument preservation requires a scientific material and damage diagnosis. Due to the lack of detailed and reliable diagnostical information for the Petra monuments, conception and implementation of effective and economic, remedial and preventive preservation measures were impossible so far.
It was the scientific aim of the studies to provide a comprehensive damage diagnosis as basis for the decision of well-directed monument preservation measures.
This damage diagnosis considers causes, processes, charakteristics, state and progression of stone weathering and includes the rating of weathering damage on the rock-cut monuments. The studies combined in-situ investigation and laboratory analysis. They were funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) and were supported by Jordanian organizations / institutions such as the Department of Antiquities of Jordan, the Petra Regional Council, the Higher Council of Science and Technology, the Petra National Trust and the Queen Rania´s Institute of Tourism and Heritage / Hashemite University.
The first step of the diagnostical studies was focused on the inventory, petrographical characterization and classification of the lithotypes occurring at the rock-cut monuments. A detailed lithostratigraphical classification and sufficient representative information on stone properties did not exist. A survey of lithotypes was made with their detailed differentiation according to macroscopical characteristics (stone colour, grain size, stone structure). This was the basis for the elaboration of a new lithostratigraphical classification of the clastical sedimentary rocks (different siltstones and sandstones). Established stratigraphical terms for the principle units of the Cambro-Ordivician rock series in Petra were considered (Umm Ishrin Sandstone Formation / Cambrian, Disi Sandstone Formation / Ordovician). This new lithostratigraphical classification comprises sixteen main lithotypes and nine sublithotypes.
All lithotypes were studied with respect to mineral composition (spectrum of minerals, modal composition), textural and structural characteristics (mean grain size, grain size distribution, sorting, grain-matrix-relation, type and number grain contacts, bedding characteristics), porosity properties (densities, total porosity, pore sizes, pore size distribution, pore surface), hygric properties (water adsorption at atmospheric pressure, water adsorption at pressure, saturation coefficient, capillary water uptake, water uptake coefficient, water penetration coefficient, water capacity, water vapour permeability, hygric dilatation, water desorption) and petrophysical properties (ultrasonic velocity, drilling resistance).
Many procedures were applied for the petrographical investigation of the twenty-five lithotypes such as X-ray diffraction, transmitted light microscopy with image analysis, scanning electron microscopy, mercury porosimetry, nitrogen adsorption (BET-method), various standardized water adsorption, permeability and desorption tests, dilatometry, ultrasonic measurements and drilling resistance measurements.
The results have ensured the precise petrographical description of all lithotypes. They have revealed considerable differences of the lithotypes in their petrographical properties.
As a trend, the grain-matrix-ratio, the total porosity, the mean pore size, the mean size of the pore entries, the water uptake and water penetration potential increase from the siltstones to the coarser-grained sandstones, whereas the number of grain contacts, the anisotropy of the fabric, the pore surface, the water vapour diffusion resistance, the hygric dilatation and the strength / hardness decrease.
A classification scheme of the stone parameters – specially adjusted to the petrographical range of the lithotypes - was developed as the basis for a conclusive petrographical characterization and comparison of the lithotypes. Accordingly, the twenty-five lithotypes could be ranged in nine main petrographical classes with eight subclasses.
The monument mapping method and supplementary in-situ measurements were applied for the assessment of the weathering damage on the rock-cut monuments. Twenty-two representative monuments were selected for investigation considering the range of lithotypes and differences in location, dimension, architectural composition and exposure characteristics of the monuments (total investigation area ~ 4.000 m2). The monument mapping method – developed by the working group „Natural stones and weathering“ / Geological Institute of the RWTH Aachen University, Germany – was used as an internationally well-accepted non-destructive procedure that allows to register and evaluate information on lithology and state of weathering in a precise and reproducible way. It can be applied to all stone types. Originally, this method was developed for monuments built of dimension stones. In Petra it has proved to be applicable successfully to monuments carved from bedrocks. Plans of the monuments selected for mapping were prepared reconstructing their original architecture.
In the course of monument mapping, all lithotypes and their distribution as well as types, intensities, combinations and distributions of weathering forms were registered. The weathering forms represent the phenomenological responses of stone to weathering processes, which are initiated and controlled by the interaction between stone and weathering factors. A computer programme - developed by the Aachen working group „Natural stones and weathering“ - was used for the processing, illustration and quantitative evaluation of the information registered.
Lithological maps were prepared illustrating the distribution of the lithotypes. These maps and their quantitative evaluation represented the basis for the characterization and rating of damage in dependence upon lithotypes. A great diversity and heterogeneous distribution of lithotypes was found to be very characteristical for most of the rock monuments in Petra.
The Aachen working group „Natural stones and weathering“ has developed a standard classification scheme of weathering forms as prerequisite for the objective and reproducible registration and documentation of weathering forms.
This standard classification scheme is a result of the investigation of numerous stone monuments worldwide, considering different stone types and environments. Based on a systematic survey of weathering forms in Petra it was modified in order to ensure optimal applicability to the rock-cut monuments there. The classification scheme comprises four levels of differentiation: level I – groups of weathering forms, level II – main weathering forms, level III – individual weathering forms, level IV – individual weathering forms with additional differentiation according to intensity.
That level of highest precision (level IV) was applied for monument mapping in Petra. So, the weathering forms were precisely registered jointly considering type and extent, the latter being assessed by means of measurable or estimable intensity parameters.
Maps of weathering forms were prepared distinctly illustrating the distribution of the weathering forms. Separate maps according to the four groups of weathering forms – 1 / loss of stone material, 2 / deposits, 3 / detachment of stone material, 4 / fissures (here including joints) – have turned out meaningful. All weathering forms and their intensities were evaluated quantitatively. Maps and quantitative evaluation of the weathering forms guaranteed the precise description of all investigation areas with respect to their state of weathering. Coloured maps and quantitative evaluation of weathering forms were presented by means of examples. Their explanation has considered the diversity of lithotypes and exposure characteristics.
More than fourty different weathering forms with a considerable range of their intensities and many hundred different combinations of weathering forms with either very heterogeneous or striking zonalc distribution were stated. These findings in all evidence an extreme diversity of weathering damage on the rock-cut monuments.
The combined evaluation of information gathered from lithological mapping and mapping of weathering forms allowed to line out characteristical associations of weathering forms in dependence on lithotypes and phases of weathering. Here, clear correlations were found between associations of weathering forms and petrographical classes of the lithotypes.
Weathering forms allowed the precise description of weathering phenomena. Damage categories and damage indices were used for the rating of damage evoked by the weathering forms of the groups „loss of stone material“, „deposits“ and „detachment of stone material“. Six damage categories were defined - 0 / no damage, 1 / very slight damage, 2 / slight damage, 3 / moderate damage, 4 / severe damage and 5 / very severe damage. Their order of listing corresponds to increasing necessity and urgency of preservation measures.
A correlation scheme „weathering forms – damage categories“ was developed specially for the Petra monuments, in which all weathering forms – considering type and intensity – were related to damage categories. The high historical and artistical importance of the monuments was taken into account. Based on this correlation scheme, damage categories first were determined seperately for the three groups of weathering forms „loss of stone material“, „deposits“ and „detachment of stone material“. In the next step of evaluation, a scheme was elaborated for the derivation of damage categories jointly considering all weathering forms of these three groups. The damage categories were illustrated in maps and were evaluated quantitatively. Damage indices were used for the overall quantification and rating of weathering damage. Their calculation was based on the quantitative evaluation of the damage categories.
By means of damage categories and damage indices all monuments under investigation were precisely described and judged according to extent of weathering damage. Heterogeneous distribution or zoning of damage as a consequence of different lithotypes or exposure characteristics were lined out. The maps of damage categories locate those parts of the monuments which interventions should focus on. The damage categories and damage indices enhance risk prognosis for the rock-cut monuments.
Damage indices also were determined for the individual lithotypes. This made an important contribution to the rating of their susceptibility to weathering. Finally, rankings of the investigation areas according to damage indices were made. The rankings quantify different extents of damage ranging from rather well-preserved to seriously damaged monuments. In these rankings increasing damage index corresponds to increasing need and urgency of monument preservation measures.
Fissures and joints were rated seperately with respect to damage they evoke on the monuments. The number of fissures and joints and their dimension (length, width) at the surface of the monuments were considered in combination as parameters for the calculation of a damage index specially introduced for the judgement of the fissures and joints. This damage index is a suitable indicator of need and urgency of preservation measures such as structural stabilization or reinforcement, filling / sealing or prevention from breaking out of stone blocks.
The overall rating of damage on the Petra monuments and the discussion of preservation measures must consider the damage indices relating to the weathering forms of the groups „loss of stone material“, „deposits“ and „detachment of stone material“ in combination with the damage index relating to fissures / joints.
In-situ drilling resistance measurements have provided supplementary information on the state of weathering. The drilling resistance - a parameter of stone hardness – was calculated as a function of depth. This allows the quantitative characterization of weathering profiles.
The measurements considered different lithotypes and weathering forms. Drilling resistances obtained from measurements on unweathered stone samples in the laboratory served as referential data.
The results of the in-situ measurements have allowed to characterize different forms of stone detachment by means of weathering profiles and, thus, have improved the understanding of stone detachment as process preceding loss of stone material. Differences in dependence on lithotypes were lined out. Furthermore, the results have provided information on the depth effect of weathering. The trend was found – considering comparable exposure conditions of the lithotypes - that the depth effect of weathering increases from the compact, finer-grained to the friable, coarser-grained lithotypes. The results were considered as additional indicators of susceptibility to weathering.
The characterization, quantification and prognosis of weathering progression is an important concern of scientific damage diagnosis. Reliable information on weathering progression did not exist for the rock-cut monuments in Petra. Due to the lack of referential archive documents and information on the state of weathering damage in the past, alternative steps of evaluation were introduced for the assessment of weathering progression exclusively from information on the recent state of weathering. They were based on the results obtained from mapping and quantitative evaluation of lithotypes and weathering forms.
The determination of weathering rates has turned out to be suitable for an estimation of weathering progression. Their calculation is based on the evaluation of the weathering forms characterizing loss of stone material. The weathering rates quantify the average recession of the stone surface over the time. They are calculated from the hitherto total extent of stone surface recession and the age of the monument. Weathering rates were determined for all particular areas of the monuments under investigation and then were illustrated in maps. These maps document in all a considerable range and a heterogeneous distribution of weathering rates due to different lithotypes and exposure characteristics. The weathering rates range between less than 0.5 up to a maximum of 35 mm / 100 years. In a next step, average weathering rates were determined for entire monuments or their parts under investigation. Additionally, weathering rates were determined for individual lithotypes considering comparable exposure conditions. This allowed the comparison of their susceptibility to weathering.
Comparing the three most important lithotypes, it was found that the average weathering rates and, thus, the susceptibility to weathering increase from the oldest to the more friable youngest lithotype.
Weathering rates allow weathering prognosis, taking into account that they describe a continuously linear weathering progression as per calculation mode. Since linearity of weathering progression is not realistic, further steps of evaluation were necessary in order to achieve information on real weathering progression.
The approach based on the principle finding that the occurrence of different weathering forms next to each other on the monuments also reflects their chronological sequence. The systematic evaluation of all weathering forms characterizing loss of stone material, deposits on the stone surface and current detachment of stone material has allowed to deduce statistical successions of weathering forms for the most important lithotypes. They describe weathering progression according to types, combinations and intensities of weathering forms. Different chronological sequences of weathering forms were found for the lithotypes as the consequence of differences in their petrographical properties.
The successions of weathering forms were used for the calculation of weathering progression factors. Their determination considered the intensities of stone detachment and allochthonous deposits on the detaching stone elements in relation to loss of stone material. The intensity of allochthonous deposits on detaching stone elements was considered as relative time indicator. It reflects the durability of the stone surface and is inversely proportional to the velocity of stone detachment. The weathering progression factors were used for the calculation of weathering progression curves which quantify realistically the recession of stone surfaces over time. The weathering progression curves obtained for the most important lithotypes have shown slow weathering progression in the early phases of weathering, followed by a continuous acceleration of weathering progression approximating linearity only in very advanced phases of weathering.
The extrapolation of the weathering progression curves allows reliable quantitative weathering prognosis. Future loss of stone material can be predicted either relating to depth, volume or weight of stone material. Weathering prognoses were made for two monuments as examples. According to the prognoses, the stone surface of these monuments will receed within the next hundred years for 2 – 3 cm on average. The stone surface of individual parts of the monuments will receed in worst case for 8 cm. For that monument composed of Cambrian sandstones this means, that more than four cubic metres or more than nine tons of stone material will be lost in the next hundred years. These prognoses are quite alarming and they indicate the need and urgency of preservation measures for many monuments in Petra.
The information achieved on weathering forms, weathering profiles, extent of damage and weathering progression has allowed the comparative rating of the lithotypes regarding their susceptibility to weathering. The compact and homogeneous, very fine-grained to fine-grained sandstones have turned out to be least susceptible to weathering. The susceptibility increases in direction of the coarser-grained sandstones with increasing porosity, water uptake and water penetration potential and decreasing content of matrix and decreasing strength / hardness. This sandstone are prone to contour scaling, flaking or granular disintegration. The susceptibility to weathering also increases from the comparably weathering resistant sandstones in direction of the siltstones. Their susceptibility to weathering finds its expression in their proneness to splitting – as a consequence of their very anisotropic fabric – and to crumbly disintegration resulting from the intersection of splits and narrow-spaced joints characteristically affecting these lithotypes.
Reliable information on weathering factors and weathering processes causing the weathering damage on the rock-cut monuments in Petra did not exist until now. While there is agreement that physical weathering decisively controls stone weathering in Petra, the main factors and processes are under very controversial discussion. The own observations, the results of microclimatic measurements and mineralogical-geochemical laboratory analyses of stone samples (surface samples, drill cores) in combination with the results obtained from characterization, documentation, quantitative evaluation and rating of weathering damage have allowed a reliable valuation of weathering factors and processes.
Microclimatic measurements were carried out at the monuments (air temperatures, stone surface temperatures, in all approx. 100.000 data) considering seasonal and diurnal variations. Intense temperature loading could be stated for many rock-cut monuments, especially for the south- to west-exposed monuments due to insolation. High stone surface temperatures – up to 55 °C at maximum - occur at these monuments, high heating and cooling rates are characteristical. The comparison of temperature load and weathering damage has not shown any clear interdependencies. Very slight up to very severe weathering damage occurs as well on highly temperature-loaded monuments as on those monuments insignificantly affected by temperature loading. Temperature weathering has turned out not to primarily cause the weathering damage on the monuments.
Clear correlations could be stated between humidity impact and weathering damage. In winter periods waterfall-like water run-off at the rock-monuments and floods were observed indicating the water impact potential.
The observations in that periods of rainfall have allowed to map exposure characteristics regarding humidity influences (areas exposed to rain, areas sheltered from rain, areas affected by water run-off). It was found that the south- to west-exposed monuments are most effected by precipitation, whereas north- to east-exposed monuments are rather sheltered from rain. Water run-off affects monuments especially in those cases where channels above the monuments – built by the Nabateaens for the control of water run-off – are eroded or filled with debris. The lower parts of many monuments are additionally affected by rising humidity. Different types and extents of humidity impact correlate with patterns of weathering forms and degree of damage. This proofs water / humidity to be the weathering factor decisively causing and controlling stone weathering on the rock-cut monuments. Salt weathering was found to be the main and most harmful humidity-induced weathering process. The results of mineralogical-geochemical studies have shown that most types of stone detachment are linked to the presence of salts. Halite represents the prevailing salt mineral. Gypsum, niter and sylvite occur as further salt minerals. Type, quantity, spatial distribution and crystallization cycles control typ and intensity of stone detachment. Geochemical analyses of rain water have shown that a considerable proportion of the salt components in the stone derives from rain, especially in the case of halite.
Wind can be considered as another weathering factor affecting the Petra monuments. Although it does not cause stone disintegration, it contributes significantly to the erosion of loose stone material.
The results presented in all have provided statistically reliable information on the characteristics of stone weathering at the rock-cut monuments in Petra, considering the mutual relationships between lithotypes / stone properties, exposure characteristics, weathering factors, weathering processes, weathering phenomena, state of weathering damage and weathering progression.
The results facilitate the planning and implementation of appropriate monument preservation measures. This concerns immediate safeguarding measures, measures for remedy of damage and preventive measures in the same way. The results indicate need and urgency of preservation measures. Prevention of stone blocks from breaking out, fixation of loose stone material, structural stabilization / reinforcement, stone repair, filling / sealing of fissures and joints, repair / reactivation of channels for the control of water run-off, control of rising humidity, desalination, cleaning and surface protection represent preservation measures under consideration. Careful test applications are recommended in order to check applicability and success of the preservation measures.
A consistent concept of damage diagnosis including many new meaningful steps of evaluation has been presented. This diagnosis concept can be applied in research and monument preservation practice. It can be recommended for long-term monitoring of stone monuments and for the control / certification of preservation measures.