Zickel, Mirijam Christina Rebecca
ORCID: 0000-0002-4473-1759
(2026).
Macro to Micro: multi-scale analytical approaches for researching past human-landscape interactions.
PhD thesis, Universität zu Köln.
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Abstract
Geoarchaeology and landscape reconstruction aim to decipher past environments from fragmented evidence, residues, and excerpts. This undertaking necessitates substantial interdisciplinary collaboration and result reproducibility, which sometimes requires methodological innovation. Information gathered at various scales, ranging from extensive land cover data to micromorphological observations in soils and (archaeo-) sediments, can illuminate distinct facets of landscape evolution or traces of prehistoric human activity. Both are crucial for constructing a comprehensive understanding of past landscapes as well as past human-landscape interactions. Our comprehension is shaped not only by direct field observations but also by the interpretation of individual analysis results. Consequently, multi scale approaches are indispensable in palaeoenvironmental science and geoarchaeology, as integrating disciplinary insights (perspectives) and evidence helps to complete the picture of past landscapes and human interaction with them. Continuous methodological development is essential to facilitate the comparison and integration of results from diverse analytical techniques, thereby enhancing compatibility. Integrative approaches, such as site location analysis, are valuable for comprehending prehistoric human behaviour and enabling the detection of important archaeological sites. At a large scale, using an example from the Southern Levant, this research demonstrates how archaeological field survey data can be effectively combined with (palaeo-) environmental geodata, including hydrogeological and land cover information, to assess the potential for undiscovered Upper Palaeolithic sites within the study area using Multi Criteria Decision Analysis (MCDA). In this way promising areas for future archaeological surveys were identified. This demonstrates that comprehending site selection of prehistoric humans and identifying areas likely to preserve archaeological sites are fundamental not only for more focused fieldwork but also for the protection of cultural heritage. Furthermore, at the meso scale, comprehensive landscape reconstruction is crucial for elucidating landscape evolution in conjunction with prehistoric land use. However, site catchment analysis, particularly in data-scarce regions, remains challenging. The Bronze Age site of Toboliu in western Romania, situated at the edge of the Carpathian Basin, exemplifies a remote area with significant research potential but limited palaeoenvironmental knowledge. Taking the differentiation between landscape features resulting from human (Bronze Age) landscape interaction ∼3600 years ago before present (BP) and those shaped by natural processes as a key challenge of this case study, multi scale methods for landscape reconstruction are applied. This includes chronostratigraphic (luminescence and radiocarbon dating), soil, and palynological analyses, which are combined with the interpretation of geospatial data such as digital elevation, multispectral, and geomagnetic imagery. The results reveal a complex pattern of landscape evolution and Bronze Age land use, indicating that relief and soil primarily developed through earlier natural processes, dominated by Pleistocene-Holocene loess-derivate deposition and fluvial activity. Furthermore, it has been demonstrated that closed depressions (CDs), which were initially suspected to result from Bronze Age land use, are in fact attributable to earlier landscapeforming, periglacial processes during the Pleistocene. Focusing on the microscale of the local Bronze Age tell settlement, a primary objective is to identify materials used for construction, such as floorings and coverings, and to determine their raw material sources. In this context and based on a proof of concept from a well-studied Loess-palaeosol sequence (LPS) in Rheindahlen, Germany, a method for digital analysis of micromorphological samples derived from the tell profiles was developed. It can be shown that machine learning (ML)-based image and spatial analysis on thin section scans can augment traditional micromorphological analysis. Additionally, Micro-XRF analysis proves to be valuable for micromorphological studies and is therefore explored more extensively in the context of house floors from the tell sequence. Using Micro-XRF it can be demonstrated that diverse combinations of local minerogenic materials—primarily loess-derivate-based from the surroundings of the settlement were used to create a high variability of different house floors. Additionally, sophisticated coverings, such as wooden planks and plasters can be characterised by their chemical composition. Essentially, this research underscores the significant potential of the multi-scalar approach, which integrates different analytical approaches in geoarchaeology and landscape reconstruction, to enhance our understanding of a complex palaeogeographic picture.
| Item Type: | Thesis (PhD thesis) |
| Translated title: | Title Language Geoarchäologie und Landschaftsrekonstruktion zielen darauf ab, vergangene Umwelten anhand fragmentierter Hinweise, Rückstände und Auszüge zu entschlüsseln. Dieses Unterfangen erfordert erhebliche interdisziplinäre Zusammenarbeit, die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und in diesem Zusammenhang technische Innovationen, welche es ermöglichen unterschiedlichste Methoden zusammenzubringen. Informationen, die in verschiedenen Maßstäben gesammelt werden, von weiträumigen Landbedeckungsdaten bis hin zu kleinräumigen mikromorphologischen Beobachtungen in Böden und (Archäo-) Sedimenten, können unterschiedliche Facetten der Landschaftsentwicklung oder Spuren prähistorischer menschlicher Aktivität beleuchten. Beides ist entscheidend für den Aufbau eines umfassenden Verständnisses vergangener Landschaften und prähistorischer Mensch-Landschaft Interaktion. Unser Verständnis wird aber nicht nur durch direkte Feldbeobachtungen, sondern auch durch die Interpretation individueller Analyseergebnisse geprägt. Folglich sind multiskalige Ansätze in der Paläo-Umweltwissenschaft und Geoarchäologie unerlässlich, da die Integration Disziplin-bezogener (perspektivischer) Erkenntnisse und Nachweise dazu beiträgt, das Bild vergangener Landschaften und der menschlichen Interaktion mit ihnen zu vervollständigen. Eine kontinuierliche methodische Entwicklung ist unerlässlich, um den Vergleich und die Integration von Ergebnissen verschiedener analytischer Techniken zu erleichtern und so die Kompatibilität zu verbessern. Integrative Ansätze, wie die archäologische Fundstellen-Standortanalyse, sind entscheidend für das Verständnis von prähistorisch-menschlichen Aktionsräumen und das Detektieren von wichtigen archäologischen Fundstätten. In großem Maßstab, am Beispiel der südlichen Levante, zeigt der gewählte Forschungsansatz Multi Criteria Decision Analysis (MCDA), wie archäologische Fundstelleninformationen effektiv mit (paläo-) umweltbezogenen Geodaten, einschließlich hydrogeologis cher und Landbedeckungsinformationen, kombiniert werden können, um das Potenzial für unentdeckte jungpaläolithische Stätten im Untersuchungsgebiet zu bewerten. So konnten vielversprechende Flächen für zukünftige archäologische Feldforschung erkannt werden. Es wird gezeigt, dass gewonnen Erkenntnisse über die Standortwahl von prähistorischen Menschen sowie die Identifizierung von Gebieten mit guten Erhaltungsbedingungen für archäologische Fundstellen, grundlegend für eine fokussierte Feldforschung und für den Schutz von kulturellem Erbe sind. Des Weiteren ist auf der Mesoebene eine umfassende Landschaftsrekonstruktion entscheidend für die Aufklärung der Landschaftsentwicklung in Verbindung mit prähis torischer Landnutzung. Die Einzugsgebietsanalyse, insbesondere in datenarmen Regionen, stellt allerdings eine Herausforderung dar. Die bronzezeitliche Fundstätte Toboliu in Westrumänien (Karpatenbeckenrand) ist ein Beispiel für ein abgelegenes Gebiet mit erheblichem Forschungspotenzial, aber begrenzten paläoumweltbezogenen Daten. Um der zentralen Herausforderung, zwischen Landschaftselementen zu unterscheiden, die aus bronzezeitlicher Landschaftsinteraktion vor ∼3600 Jahren before present (BP) resultieren, und solchen, die durch natürliche Prozesse entstanden sind, zu begegnen wurde eine multiskalige Methode für die Landschaftsrekonstruktion für die Fallstudie gewählt. Dies beinhaltet chronostratigraphische (Lumineszenz- und Radiokarbondatierung), Boden-, und palynologische Analysen in Kombination mit der Interpretation von Geodaten wie digitalen Höhenmodellen, multispektralen und geomagnetischen Aufnahmen, sowie historischer Karten. Die Ergebnisse der Fallstudie zeigen ein komplexes Muster der Landschaftsentwicklung und der bronzezeitlichen Landnutzung, was darauf hindeutet, dass Relief und Boden hauptsächlich durch natürliche Prozesse, dominiert von pleistozän-holozäner Löss-Derivat-Ablagerungen und fluvialer Aktivität, entstanden sind. Zudem konnte gezeigt werden, dass geschlossene Hohlformen, bei denen zunächst vermutet wurde sie resultieren aus bronzezeitlicher Landnutzung, auf frühere landschaftsformende, periglaziale Prozesse während des Pleistozäns zurückgehen. Mit Fokus auf die Mikroebene der bronzezeitlichen Tellsiedlung in der Fallstudie ist ein primäres Ziel die Identifizierung der verwendeten Baumaterialien, wie mineralische Fußbodenbestandteile und -beläge, und die Bestimmung der Rohmaterialquelle. In diesem Zusammenhang und basierend auf einem Machbarkeitsnachweis zu einer gut untersuchten Löss-PaläobodenSequenz (LPS) in Rheindahlen, Deutschland, wurde eine Methode zur digitalen Analyse mikromorphologischer Proben aus den Tellprofilen entwickelt. Es kann gezeigt werden das maschinelle Lernen (ML)-basierte Bildanalyse und räumliche Analyse anhand von Dünnschliffscans die klassische mikromorphologische Analyse sinnvoll ergänzen können. Zusätzlich erweist sich die Mikro-XRF-Analyse ebenfalls als wertvoll für mikromorphologische Studien und wurde im Kontext der Analyse der Hausfußböden aus der Tellsequenz erprobt. Damit ist ersichtlich, dass verschiedene Kombinationen lokaler minerogener Rohmaterialien, hauptsächlich Löss-Derivate aus der Siedlungsumgebung verwendet wurden, um vielfältige Hausbodentypen zu schaffen. Zusätzlich können aufwändigere Bodenbeläge, wie Holzplanken und Estrich, über ihre chemische Zusammensetzung charakterisiert werden. Im Wesentlichen unterstreicht diese Forschung das erhebliche Potenzial des multiskalaren Ansatzes, der verschiedene analytische Ansätze in Geoarchäologie und Landschaftsrekonstruktion integriert, um unser Verständnis eines komplexen paläogeographischen Bildes zu verbessern. UNSPECIFIED |
| Translated abstract: | Abstract Language Geoarchäologie und Landschaftsrekonstruktion zielen darauf ab, vergangene Umwelten anhand fragmentierter Hinweise, Rückstände und Auszüge zu entschlüsseln. Dieses Unterfangen erfordert erhebliche interdisziplinäre Zusammenarbeit, die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und in diesem Zusammenhang technische Innovationen, welche es ermöglichen unterschiedlichste Methoden zusammenzubringen. Informationen, die in verschiedenen Maßstäben gesammelt werden, von weiträumigen Landbedeckungsdaten bis hin zu kleinräumigen mikromorphologischen Beobachtungen in Böden und (Archäo-) Sedimenten, können unterschiedliche Facetten der Landschaftsentwicklung oder Spuren prähistorischer menschlicher Aktivität beleuchten. Beides ist entscheidend für den Aufbau eines umfassenden Verständnisses vergangener Landschaften und prähistorischer Mensch-Landschaft Interaktion. Unser Verständnis wird aber nicht nur durch direkte Feldbeobachtungen, sondern auch durch die Interpretation individueller Analyseergebnisse geprägt. Folglich sind multiskalige Ansätze in der Paläo-Umweltwissenschaft und Geoarchäologie unerlässlich, da die Integration Disziplin-bezogener (perspektivischer) Erkenntnisse und Nachweise dazu beiträgt, das Bild vergangener Landschaften und der menschlichen Interaktion mit ihnen zu vervollständigen. Eine kontinuierliche methodische Entwicklung ist unerlässlich, um den Vergleich und die Integration von Ergebnissen verschiedener analytischer Techniken zu erleichtern und so die Kompatibilität zu verbessern. Integrative Ansätze, wie die archäologische Fundstellen-Standortanalyse, sind entscheidend für das Verständnis von prähistorisch-menschlichen Aktionsräumen und das Detektieren von wichtigen archäologischen Fundstätten. In großem Maßstab, am Beispiel der südlichen Levante, zeigt der gewählte Forschungsansatz Multi Criteria Decision Analysis (MCDA), wie archäologische Fundstelleninformationen effektiv mit (paläo-) umweltbezogenen Geodaten, einschließlich hydrogeologis cher und Landbedeckungsinformationen, kombiniert werden können, um das Potenzial für unentdeckte jungpaläolithische Stätten im Untersuchungsgebiet zu bewerten. So konnten vielversprechende Flächen für zukünftige archäologische Feldforschung erkannt werden. Es wird gezeigt, dass gewonnen Erkenntnisse über die Standortwahl von prähistorischen Menschen sowie die Identifizierung von Gebieten mit guten Erhaltungsbedingungen für archäologische Fundstellen, grundlegend für eine fokussierte Feldforschung und für den Schutz von kulturellem Erbe sind. Des Weiteren ist auf der Mesoebene eine umfassende Landschaftsrekonstruktion entscheidend für die Aufklärung der Landschaftsentwicklung in Verbindung mit prähis torischer Landnutzung. Die Einzugsgebietsanalyse, insbesondere in datenarmen Regionen, stellt allerdings eine Herausforderung dar. Die bronzezeitliche Fundstätte Toboliu in Westrumänien (Karpatenbeckenrand) ist ein Beispiel für ein abgelegenes Gebiet mit erheblichem Forschungspotenzial, aber begrenzten paläoumweltbezogenen Daten. Um der zentralen Herausforderung, zwischen Landschaftselementen zu unterscheiden, die aus bronzezeitlicher Landschaftsinteraktion vor ∼3600 Jahren before present (BP) resultieren, und solchen, die durch natürliche Prozesse entstanden sind, zu begegnen wurde eine multiskalige Methode für die Landschaftsrekonstruktion für die Fallstudie gewählt. Dies beinhaltet chronostratigraphische (Lumineszenz- und Radiokarbondatierung), Boden-, und palynologische Analysen in Kombination mit der Interpretation von Geodaten wie digitalen Höhenmodellen, multispektralen und geomagnetischen Aufnahmen, sowie historischer Karten. Die Ergebnisse der Fallstudie zeigen ein komplexes Muster der Landschaftsentwicklung und der bronzezeitlichen Landnutzung, was darauf hindeutet, dass Relief und Boden hauptsächlich durch natürliche Prozesse, dominiert von pleistozän-holozäner Löss-Derivat-Ablagerungen und fluvialer Aktivität, entstanden sind. Zudem konnte gezeigt werden, dass geschlossene Hohlformen, bei denen zunächst vermutet wurde sie resultieren aus bronzezeitlicher Landnutzung, auf frühere landschaftsformende, periglaziale Prozesse während des Pleistozäns zurückgehen. Mit Fokus auf die Mikroebene der bronzezeitlichen Tellsiedlung in der Fallstudie ist ein primäres Ziel die Identifizierung der verwendeten Baumaterialien, wie mineralische Fußbodenbestandteile und -beläge, und die Bestimmung der Rohmaterialquelle. In diesem Zusammenhang und basierend auf einem Machbarkeitsnachweis zu einer gut untersuchten Löss-PaläobodenSequenz (LPS) in Rheindahlen, Deutschland, wurde eine Methode zur digitalen Analyse mikromorphologischer Proben aus den Tellprofilen entwickelt. Es kann gezeigt werden das maschinelle Lernen (ML)-basierte Bildanalyse und räumliche Analyse anhand von Dünnschliffscans die klassische mikromorphologische Analyse sinnvoll ergänzen können. Zusätzlich erweist sich die Mikro-XRF-Analyse ebenfalls als wertvoll für mikromorphologische Studien und wurde im Kontext der Analyse der Hausfußböden aus der Tellsequenz erprobt. Damit ist ersichtlich, dass verschiedene Kombinationen lokaler minerogener Rohmaterialien, hauptsächlich Löss-Derivate aus der Siedlungsumgebung verwendet wurden, um vielfältige Hausbodentypen zu schaffen. Zusätzlich können aufwändigere Bodenbeläge, wie Holzplanken und Estrich, über ihre chemische Zusammensetzung charakterisiert werden. Im Wesentlichen unterstreicht diese Forschung das erhebliche Potenzial des multiskalaren Ansatzes, der verschiedene analytische Ansätze in Geoarchäologie und Landschaftsrekonstruktion integriert, um unser Verständnis eines komplexen paläogeographischen Bildes zu verbessern. German |
| Creators: | Creators Email ORCID ORCID Put Code Zickel, Mirijam Christina Rebecca m.zickel@uni-koeln.de UNSPECIFIED |
| URN: | urn:nbn:de:hbz:38-802911 |
| Date: | 2026 |
| Language: | English |
| Faculty: | Faculty of Mathematics and Natural Sciences |
| Divisions: | Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Geographisches Institut |
| Subjects: | Earth sciences |
| Uncontrolled Keywords: | Keywords Language Quaternary science English Digital geoarchaeology English Micromorphology English |
| Date of oral exam: | 13 January 2026 |
| Referee: | Name Academic Title Reimann, Tony Prof. Dr. |
| Funders: | Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) |
| Refereed: | Yes |
| URI: | http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/80291 |
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https://orcid.org/0000-0002-4473-1759