Prospezione
archeologica
magnetica
Prospezione (Prospection)
• La prospezione investigativa, o pre-scavo, è in
archeologia un’attività fondamentale, che può aiutare a
definire l’area di interesse maggiore e, quindi, a
risparmiare tempo e danaro durante le opere di scavo
che, eventualmente, potranno seguire. Può anche fornire
importanti informazioni che non sarebbero altrimenti
ottenibili, nemmeno attraverso il recupero e lo scavo.
• La prospezione dovrebbe costituire parte integrale di
ogni indagine archeologica, e non essere usata solo come
riferimento
per
le
successive
analisi
ambientali
archeologiche dei sedimenti dentro e attorno al sito.
• Esistono molti metodi per il lavoro di prospezione, la cui
scelta dipende dalle particolari questioni scientifiche poste
e dalle condizioni ambientali specifiche del sito.
Prospezione
Le metodologie di prospezione fisica possono essere “attive” o
“passive”:
sono le tecniche basate sull’invio di un segnale nel suolo
(corrente elettrica, onda elettromagnetica GPR– Ground
Penetrating Radar) per poi misurare la risposta in superficie.
• Attive
•
Passive sono le tecniche basate sulla misura delle proprietà
fisica del terreno (campo elettromagnetico), indipendenti dalla
presenza del sistema di rilevamento.
I principali metodi applicati sono:
- Field Walking, - Magnetic Survey, - Electrical
Resistance, - Soil chemical-physical Properties, GPR – Ethno-pedology
Prospezione
Nel 1893 si martellava il terreno per cogliere variazioni del segnale
acustico. Dal 1945 si ha la prospezione aerea, Nel 1946 si applicano studi
sulle proprietà elettriche del terreno. Nel 1958 Martin Aitken introuce la
prospezione magnetica (proton magnetometer) che permette la
prospezione su ampia scala con digitalizzazione automatica dei dati.
Nel 1960 s’introduce il Fluxgate magnetometer che velocizza le scansioni.
Oggi strumentazioni sensibilissime come magnetometri a vapori alcalini
(sensibilità 0.01 nT) sono disponibili. Il GPR è un metodo attivo
elettromagnetico.
L’etno-pedologia, permette di ricavare informazioni sull’occupazione
umana di un sito grazie all’arricchimento in superficie di elementi
metallici (Fe, Pb) o di P (proteine). L’arricchimento di micro-nutrienti
(Cu, Mn, Zn, …) può indicare l’utilizzo come terreno coltivato.
Una combinazione di più metodi costituisce il miglior approccio possibile,
dati provenienti da un’unica tecnica sono interpretabili con più difficoltà.
Field Walking: una gran quantità di informazioni sulle epoche
storiche del passato può essere raccolta semplicemente
osservando il territorio. Tratti caratteristici come tumuli, fossati,
palaeo-canali, etc. lasciano tracce che possono persistere nel
territorio per millenni. L’aratura di un campo può portare alla
luce manufatti seppelliti poco al di sotto della superficie. Mappe
dell’area investigata sono strumenti preziosi per la raccolta delle
osservazioni.
“cropmarks”
Carnuntum
(Austria)
1968
Carnuntum (Austria)
1968
Paleo-canali
(individuabili mediante prospezione magnetica)
Sono i “letti” sepolti di corsi d’acqua, fiumi o fossati (trincee).
Sovente, specialmente in siti rimasti permanentemente allagati,
possono contenere resti organici caratteristici del tipo di canale
(dipendenti per esempio dalla velocità del flusso, dalla
profondità, dalle dimensioni, etc) e dell’ecosistema di quel
territorio (per esempio, tipo e diffusione della vegetazione;
presenza
di
terreni
boscosi
o
pianure).
I sedimenti dei paleo-canali
possono fornire importanti
informazioni sulle attività umane nell’antichità. Specialmente su
eventi come deforestazioni, incendi, concimazione, che possono
drammaticamente o in forma minore modificare le
caratteristiche della flora e della fauna nel canale.
Attraverso una combinazione di paleoentomologia, palinologia e
analisi dei macro-fossili nel contesto di scavo, si possono ottenere
informazioni sulle variazioni del paesaggio nell’area interessata
dal bacino idrogeografico relativo al canale.
Seismic
Survey
Resistivity
Survey
Resistivity Survey
Ground
Penetrating
Radar
GPR
(a) Mentre l’operatore si muove sul sito,
l’antenna radar emette una serie di brevi
impulsi radar verso il terreno, registrando
il tempo e l’intensità del segnale riflesso.
Data la natura conica del fascio radar, l’oggetto sepolto (rosso)
sarà parzialmente illuminato anche prima e dopo il passaggio
diretto su di esso del sensore. (b) Il segnale risultante può
apparire confuso per il sovrapporsi di segnali in tempi diversi
corrispondenti a piani diversi. (c) I dati sono per questo
analizzati numericamente per formare una successione di “fette
temporali" che svelano sul piano bidimensionale la struttura e
la profondità del materiale seppellito.
I segnali rifratti del Radar sono raccolti sistematicamente, facendo
correre il sensore-emettitore lungo linee parallele predefinite. Poiché
le microonde viaggiano nel suolo a velocità nota, il tempo che
intercorre fra invio e raccolta del segnale di eco (ritornato al sensore)
è proporzionale alla profondità raggiunta dall’onda prima impattare
un ostacolo solido. Segnali di eco anticipato (forti) sono riportati in
rosso, segnali di eco deboli sono riportati in blu
The Ground Penetrating Radar
equipment in operation at Wroxeter
Prospezione magnetica (survey)
I magnetometri possono identificare sostanze/particelle ferromagnetiche
sepolte nel terreno capaci di fornire al materiale che le contiene diversi valori
di forza e direzione del campo magnetico. Per esempio, un aratro in ferro
fornisce una lettura magnetica molto più elevata di quella media ambientale,
mentre un muro in pietra fornirà un valore più basso. Inoltre, effetti di
disturbo nel suolo possono modificare l’allineamento delle particelle
magnetizzate in direzione diversa rispetto a quella (quasi) naturale. Queste
variazioni danno segnali diferenti rilevabili attraverso un magnetometero, e
possono essere usate per identificare strutture come antichi fossati, mura e
paleocanali.
Il metodo usuale consiste nel suddividere il sito secondo una griglia (per
esempio, definita una linea base, si tracciano con nastri le perpendicolari ad
essa, e poi ci si muove progressivamente fino a completare l’intreccio di linee)
fino a una risoluzione di circa 1 m. Lo strumento di più semplice utilizzo è il
Fluxgate Gradiometer, che abbinato a un PC portatile, può rapidamente
fornire risultati utili sul sito. Lo strumento deve essere attentamente tarato
rispetto al valore del CMT presente nell’unità investigata, per poi misurare
minute variazioni di campo per ogni punto di misura.
Cosa andiamo a “osservare” con i magnetometri
• L’utilizzo nel passato del fuoco per la cottura del cibo, per
riscaldarsi, per il disboscamento, la preparazione di un
terreno agricolo o per la produzione di manufatti ha
modificato le proprietà magnetiche di argilla, pietre e del
suolo in modo tale che è oggi possibile riconoscere I luoghi
dove questo è accaduto.
• le strutture naturali di superficie tipicamente esibiscono
anomalie magnetiche locali dell’ordine di 1-20 nT, invece
strutture “cotte" mostrano anomalie fra 10 e 1000 nT. Si
ricordi che Earth field (CMT) ~ 0.6 G = 20-60 µT.
• Gli oggetti in ferro, comprese le scorie della fusione e
fucinatura, sono molto rari ma possono dare anomalie fra 20
e 2000 nT. Le variazioni di suscettività magnetica fra
superficie, suolo e rocce presenti (la superficie è solitamente
più magnetizzata) sono un fattore da considerare.
Prospection
Magnetic Prospection
• Queste variazioni rendono possibile l’identificazione di fossati, buche e
altre strutture interrate che furno scavate e poi riempite volontariamente
o per frana della supercicie. Queste aree producono anomalie positive.
• Al contrario,
minerali non
magnetici
provenienti dal
suolo, compresi
molti tipi di
strutture
murarie (p.es.
mura di calcare)
producono
anomalie
negative
variabili da 2
12 nT circa.
Magnetic Prospection (sensors)
Ogni sensore “flux-gate” consiste di due strisce (o barre) di materiale
magnetico estremamente dolce (soft), come la lega Ni-Co (Mu-metal),
circondate da un avvolgimento primario. I due avvolgimenti sono orientati
in direzioni opposte l’uno rispetto all’altro e sono alimentati con un segnale
sinusoidale di corrente alternata ad elevata frequenza. I due nuclei di Mumetal sono così sottoposti a cicli alternati di magnetizzazione a saturazione
positiva e negativa.
Fluxgate (rivelatori di distorsione del segnale)
• I magnetometri “fluxgate” si basano sul principio di saturazione del
circuito magnetico. Barre parallele di un materiale ferromagnetico vengono
posizionate affiancate. Lassuscettività delle due barre deve essere così
elevata che anche solo il debole campo terrestre possa portarle alla
saturazione magnetica.
• Ogni barra è circondata da un avvolgimento primario, ma ognuna in
verso opposto all’altra. Corrente alternata (AC) attraversa l’avvolgimento
primario provocando un campo magnetico ampio, artificiale e variabile in
ogni avvolgimento. Questo produce campi indotti cha hanno in ogni istante
la stessa intensità ma direzione opposta.
• In presenza di un campo esterno, al crescere della corrente il campo
magnetico nella barra avvolta con lo stesso verso del campo esterno sarà da
questo rinforzato, mentre nell’altra barra il campo risulterà ridotto, a causa
del campo esterno. La magnetizzazione nei due casi seguirà percorsi non più
coerenti e la saturazione sarà raggiunta in una barra ad un tempo differente
rispetto all’altra. Questa differenza è sufficiente per indurre
nell’avvolgimento secondario un potenziale elettrico (d.d.p.-V) misurabile
e proporzionale alla forza del campo magnetico esterno nella direzione
delle barre.
Fluxgate
L’avvolgimento
secondario
circonda
sia
i
nuclei
ferromagnetici
che
gli
avvolgimenti
primari.
In
assenza di campo esterno, la
tensione
nell’avvolgimento
secondario è pari a zero,
perchè i campi magnetici
generati nei due nuclei hanno
M
stessa intensità ma direzioni
opposte e si elidono.
ext
In presenza di campo esterno, invece, il comportamento nei due
nuclei varia di una quantità proporzionale al campo esterno. I
magnetometri “fluxgate” sono in grado di misurare la forza di campi
magnetici fino a circa 1.0 nT (campo terrestre = equatore 20 µT –
poli 60 µT).
Proton precession magnetometers
Questi magnetometri operano grazie al principio secondo cui i momenti
magnetici dei protoni ruotano (spin) lungo l’asse allineato col campo
magnetico. Il moto di precessione dei protoni in presenza di un campo
magnetico fu scoperta per la prima volta attorno al 1950, osservando che il
protone “precede” con una velocità angolare w , (frequenza di precessione di
Larmor), proporzionale all'intensità F del campo magnetico, ovvero:
w = frequenza di risonanza del moto di precessione
w=gB
g = costante giromagnetica tipica del sistema (atomo)
Un induttore crea un forte campo magnetico attorno al fluido ricco di
protoni, causando l’allineamento degli spin dei protoni lungo il campo. Il
campo viene poi interrotto e mentre i protoni si riallineano col campo
terrestre, gli spin dei protoni “precedono” a frequenza specifica. Questo
produce un campo magnetico debole che può essere rilevato dallo stesso
induttore. La relazione fra la frequenza della corrente indotta e la forza del
campo terrestre è chiamata “rapporto giromagnetico del protone”, pari a
0.042576 Hertz/nanoTesla
Proton precession
magnetometers
w = g pF
La sorgente di protoni è
solitamente
una
piccola
quantità d’acqua o un liquido
organico ricco di idrogeno,
come il metanolo, l'alcool
etilico, il benzene, etc.
Elementi essenziali di un magnetometro di questo genere sono:
- una sorgente di protoni, - un campo polarizzante molto più
forte del campo terrestre e a questo, grossomodo, perpendiculare,
una bobina di rilevazione strettamente accoppiata alla sorgente,
un amplificatore per aumentare le tensioni ridotte indotte nella
bobina e un dispositivo di misura della frequenza.
I Magnetometri a Vapori Alcalini sfruttano La
separazione (splitting) dei livelli energetici elettronici
(emissione luminosa) in presenza di un campo
magnetico (effetto Zeeman).
Hydrogen Zeeman Example
Con i sistemi di misura che sfruttano il moto di
precessione protonica o l’effetto Zeeman non
misuriamo direttamente il campo magnetico ma una
conseguenza fisica della sua intensità, come una
variazione di frequenza o una quantità di energia
associata ad un livello energetico elettronico.
Magnetometer Survey
Excavation At Newstead (UK, Notthingam)
Newstead Fort Complex: un insediamento extramurario a sud del forte. La strada
Nord-sud rilevata è larga approssimativamente 4 m e lastricata con ciottoli, non protetti
da pietre angolari o da scanalature.
L’area a est della
strada si è mostrata
occupata da una
complessa sequenza
di canali di
drenaggio e zone
con metallo. In
apparenza si tratta
di una antica
discarica all’aria
aperta vicina a una
struttura di
passagio, edificata
in legno e
probabilmente in
legno anche
pavimentata
Geophysical Survey (UK, Scotland)
Un’altro rilievo, nella regione di Lilliesleaf in Scozia), su un sito osservato con
fotografie da aereo sopra la laguna di Lilliesleaf. Si osserva una recinzione
rettangolare circondata da un fossato, su una radura sopraelevata rispetto al
fondovalle.
Il rilievo magnetico ha
fornito una chiara
rappresentazione della
recinzione, che
presenta due diverse
entrate e all’interno
una struttura circolare
di circa 20 m in
diametro vicino
all’entrata Nord ovest.
Questa sembra
probabilmente essere
stata una abitazione
circolare. Una struttura
analoga sembra
identificabile da un
profilo nella zona esta.
Le resta magnetica di un villaggio (henge) in legno
(a) Un magnetometro a
vapori di Cesio con elevata
sensibilità pè stato usato
per un rilievo magnetico
del sito in pietra di Stanton
Drew (UK).
(b) Il rilievo ha mostrato
una serie di 9 cerchi
concentrici di anomalie
positive. Ogni singola
anomalia si ritiene
corrisponda ai resti di
tronchi usati per una
struttura unica.
Da oservazioni geofisiche,
il sito è interpretato come
monumento neolitico
rituale, rappresentato in
(c).
Valle del Tevere (Salvatore Piro,
ITABC-CNR) a Veio (Veii)
Rilievo magnetico e georadar hanno
individuato le strutture sulla Piazza d'Armi.
Il programma di prospezione geofisica
comprende lo studio della topografia e delle
strutture ancora in piedi.
Misura della resistività e rilievo magnetico
sono state applicate in ampie aree vicino
alla chiesa e agli scavi (Veio). I risultati
hanno mostrato un certo numero di edifici,
incluse una villa, e un’area residenziale
associata con il mercato. Questi esempi
dimostrano che il rilievo geofisico è un
importante metodo di prospezione in un
contesto archeologico e che facilita
l’individuazione e la mappatura di strutture
sepolte, integrando un numero di tecniche
diverse e utilizzando l’esperienza di
archeologi e geofisici.
Veio (Veii)
Il rilievo, che ha
coperto un’area
di 28 ettari, ha
permesso di
individuare il
piano della città
entro i resti delle
mura difensive,
incluso un
mercato, un
teatro un’insula e
l’intrico delle
strade.
Fluxgate Gradiometer Survey
Il sito della città
romana di Uriconium a
Wroxeter nella contea
dello “Shropshire”
Wroxeter Survey Project
• I risultati raccolti con la prospezione magnetica da
questo sito forniscono il più esteso insieme di dati a
oggi disponibili. Quesi due milioni di punti
sperimentali raccolti.
• Questa prospezione ha fornito evidenze particolari e
di ampia portata, non solo per l’insieme di
informazioni su comuni anomalie positive, le
informazioni più interessanti e frequenti nel sito
sonostate osservate su elementi strutturali in pietra.
• Sebbene sia comune altrove in Europa, per esempio
in suoli argillosi, in Gran Bretagna questa risposta è
rara e può essere attribuita a materiali lapidei nonmagnetici presenti su suoli altamente magnetici.
La città romana di Wroxeter, grazie alla sua grandezza, alla
buona conservazione e accessibilità, è diventata il laboratorio
ideale per provare una varietà di metodi di prospezione geofisica
e geochimica, o di altre tecniche di rilievo. Sebbene molti di
questi siano stati in uso fra gli archeologi da lungo tempo, altri
sono invece nuovi o innovativi, e nella maggior parte non sono
mai stati studiati in combinazione fra loro.
A Wroxeter, il sopralluogo aereo fotografico è stato combinato
con i risultati di misura con il rilievo magnetico, la resistività
elettrica, il ground penetrating radar, le misure sismiche, e
l’analisi spettrografica dall’alto per produrre una mappa
accurata della città, distinguendo ovunque possibile le fasi
cronologiche (dalla tarda età del ferro al periodo sub-Romano) e
le caratteristiche strutturali (dall’architettura topografica alle
stanze delle singole abitazioni).
Geophysical
Survey –
Case Studies
The Magnetometer
Survey at
Wroxeter
Una porzione del
rilievo eseguito nella
città romana di
Wroxeter (UK) con un
magnetometro fluxgate.
In condizioni ideali
come quelle
analizzate, il
magnetometro può
indicare una gran
quantità di dettagli
archeologici, compresi
il piano stradale (il
reticolo rettangolare
ben svelato in alto) e
perfino il profilo di
alcuni edifico. Le linee
di interruzione sono
tubazioni moderne.
Wroxeter in Shropshire
Il responso magnetico è eccellente, si osservano le basi delle mura
delineate come anomalie negative mentre le anomalie positive sono
causate dal suolo ricco “magneticamente”.
Possible
burnt
area in north-east
quadrant
Possible Church
south of the bath's
basilica
Batteri magnetotattici
Geomagnetismo: prospezione geologica
magnetica ed elettrica
Appendice 1:
Prospezione geofisica col magnetismo
• La Prospezione Magnetica è una tecnica passiva di prospezione,
che può rilevare variazioni minime nell’intensità o nella direzione
rispetto al campo magnetico terrestre. È possibile misurare
variazioni o anomalie fino a 50000 volte più deboli del campo
magnetico locale.
• Inizialmente, sopralluoghi magnetici furono utilizzati per
individuare strutture archeologiche particolari, come i forni di
ceramica Romani. La tecnica si è poi rapidamente dimostrata
molto sensibile anche per altre “strutture”, come fossati, antiche
discariche e perfino buche singole in cui furono piantati pali di
legno.
• Le anomalie osservabili sono dovute a variazioni della
suscettività magnetica delle strutture interrate, tipiche quando
minerali ricchi di ferro sono rinvenuti nel terreno (magnetite e
maghemite).
Questo
rafforzamento
delle
caratteristiche
magnetiche viene solitamente correlato a passaggi di ricottura
oppure a trasformazioni di tipo inorganico o controllate da batteri
che possono aver luogo naturalmente nella maggior parte dei
terreni, dando luogo a materiali magneticamente evidenziabili,
incastonati entro le strutture archeologiche e capaci di fornire
segnali anomali quasi indelebili nel tempo.
• I primi procedimenti di sopralluogo magnetico furono condotti
(1940) utilizzando magnetometri a “precessione protonica“,
strumenti con limitata sensibilità che richiedevano diversi secondi per
la misura su ogni punto. Attualmente, la maggioranza delle misure è
effettuata per gradiente con due sensori "flux-gate“, distanti 0.5 m e
posti su una asse rigido verticale.
• Questi strumenti portatili possono registrare dati magnetici in modo
continuo, permettendo la rapida effettuazione di sopralluoghi su
diversi ettari di terreno in una sola giornata, con più “letture” per
unità di area. Un ulteriore vantaggio dei gradiometri “flux-gate” è che
non risultano affetti dalle variazioni del campo terrestre o dalle
tempeste elettromagnetiche solari. Questo perché i due “flux gate”
paralleli sperimentano in questi casi un disturbo magnetico identico e
dunque solo le variazioni locali significative rispetto all’intensità del
campo terrestre risulteranno rilevate.
• Diversamente dalle misure di prospezione per resistenza elettrica, i
sopralluoghi magnetici non sono soggetti a variazioni stagionali. Il
successo di questa tecnica è sovente strettamente correlato con la
struttura geologica del sito analizzato. Fortunatamente, le condizioni
geologiche nella maggior parte dei casi sono favorevoli, ovvero si ha
un supporto di minerali ricchi in ferro sufficiente perché il terreno
possa sviluppare proprietà magneticamente rilevabili. Tuttavia,
alcune regioni contengono minerali magnetici naturali che
complicano notevolmente l’interpretazione dei dati archeologici.