A04
15
Lawrence B. Conyers
Dean Goodman
GROUND
PENETRATING
RADAR
Un’introduzione
per gli archeologi
traduzione di
Giovanni Leucci
Pubblicato per la prima volta negli Stati Uniti
da Altamira Press, Lanham, Maryland, Usa
Ristampa autorizzata. Tutti i diritti riservati
First published in the United States
by Altamira Press, Lanham, Maryland, Usa
Reprinted by permission. All rights reserved
Copyright © MMVII
ARACNE editrice S.r.l.
www.aracneeditrice.it
[email protected]
via Raffaele Garofalo, 133 A/B
00173 Roma
(06) 93781065
ISBN
978–88–548–0951–2
I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica,
di riproduzione e di adattamento anche parziale,
con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi.
Non sono assolutamente consentite le fotocopie
senza il permesso scritto dell’Editore.
I edizione: gennaio 2007
INDICE
Ringraziamenti
9
CAPITOLO I
Introduzione
Metodi geofisici utilizzati in archeologia
Il metodo Ground-Penetrating Radar
Storia del Ground-Penetrating Radar in archeologia
11
13
15
17
CAPITOLO II
23
Il Metodo GPR
Propagazione dell’energia radar
27
Realizzazione di profili continui in riflessione
28
Registrazione dei dati
30
Parametri fisici che influenzano la trasmissione dell’energia
radar
31
Propagazione radar
34
Vincoli sulla frequenza dell’antenna
39
Effetti di focalizzazione e scattering
49
Attenuazione del segnale
49
Effetto di campo vicino
51
CAPITOLO III
Equipaggiamento GPR e raccolta dei dati
Descrizione dell’equipaggiamento GPR
Registrazione dei dati in campagna
Orientazione dei profili in superficie
Acquisizione dei dati in un rilievo
Settaggio dell’equipaggiamento e del software
53
53
55
57
59
61
CAPITOLO IV
Trattamento Post -Acquisizione dei Dati
Filtri che Rimuovono il Background
Filtri F-K
Deconvoluzione
Migrazione
69
70
71
71
73
5
6
CAPITOLO V
Modelli GPR Sintetici
Realizzazione di un Radargramma Sintetico
Applicazioni dei Modelli Sintetici in Archeologia
Modelli Sintetici Confrontati con Profili GPR
75
78
81
84
CAPITOLO VI
Analisi Tempo – Profondità
Il Metodo dell’Onda Riflessa
Il Metodo dell’Onda Diretta
Misure di Laboratorio
Conclusioni sull’Analisi di Velocità
99
101
109
121
123
CAPITOLO VII
L’uso dei Dati GPR per Mappare Superfici Sepolte e Line125
amenti di interesse Archeologico
Ricostruzione di Paesaggi Antichi
125
Interpretazione dei Dati
126
Identificazione della Struttura Sepolta
129
Mappe Paleotopografiche
130
Percorsi Antichi di Drenaggio e Topografia
130
Mappe Tridimensionali Generate al Computer
132
CAPITOLO VIII
L’Analisi di Ampiezza negli Studi GPR
Slice di Ampiezza su Terreni Livellati
Time slices relative a dati raccolti su terreni irregolari
Mappe tridimensionali
Identificazione di lineamenti invisibili nei profili bidimensionali
Le slices di ampiezza che seguono i lineamenti della topografia (Horizon-Slice Maps)
Integrazione dei dati GPR con mappe magnetiche e di resistività
Utilizzo delle time slices di ampiezza per la ricerca di lineamenti verticali
L’uso delle time slices di ampiezza per individuare lineamenti
137
144
150
153
155
159
166
173
7
nella zona di campo vicino
179
CAPITOLO IX
Conclusioni
183
BIBLIOGRAFIA
193
9
RINGRAZIAMENTI
I nostri più grandi ringraziamenti vanno alle molte persone che ci
hanno aiutato nella nostra ricerca indirizzata allo sviluppo delle tecniche GPR in questi anni. Molti apprezzamenti vanno a Jeff Lucius e
Mike Powers, della U.S. Geological Survey, e a Gary Olhoeft, della
Colorado School of Mines, per le loro molte ore dedicate
all’assistenza tecnica e all’incoraggiamento. Payson Sheets,
dell’Università del Colorado, è stata una sorgente costante di motivazioni durante le numerose prove sia in campagna che in laboratorio. I
ringraziamenti vanno anche ai molti esperti del GPR che hanno dato il
loro tempo per revisionare e commentare le prime bozze del nostro
manoscritto. Questi ringraziamenti vanno specialmente a Floyd
McCoy, Clark Dobbs, Marilyn Beaudry, e Bruce Bevan. Per l’aiuto in
Giappone abbiamo il piacere di ringraziare Yasushi Nishimura, del
Nara National Cultural Properties Research Institute, come anche Katsumi Arita, Hiromichi Hongo, Hideo Sakai, Takao Uno, Yoshinori
Hosoguchi, e Yoshiko Ouyachi. Ringraziamenti speciali vanno a Koji
Tobita per la sua assistenza nella campagna del Giappone. Ringraziamenti per il loro aiuto nella logistica e assistenza in campagna sono
anche dovuti a Rinsaku Yamamoto, Noboru Tsujiguchi, Tokuo Yamamoto, J. Daniel Rogers, Bruce Smith, James Price, Mark Lynott,
Ohikita Masaaki, Ishii Katsumi, Yukio Maehata e al Dipartimento Archeologico della città di Matsue.
CAPITOLO I
INTRODUZIONE
Nell’ambito della salvaguardia dei beni archeologici i metodi non
invasivi di analisi del sottosuolo cominciano a diventare sempre più
importanti. La limitatezza delle risorse finanziarie non permette, in
molti casi, di realizzare scavi su aree molto estese. Per questo motivo
la strategia degli scavi archeologici è cambiata drasticamente negli ultimi dieci anni. In molti siti, la spesa e il tempo necessario per effettuare scavi a larga scala impedisce la raccolta di informazioni sulle risorse culturali sepolte, non visibili direttamente sulla superficie. Molte
volte non è assolutamente possibile scavare, il che impedisce
all’archeologo, che ha familiarità solo con i metodi tradizionali, di ottenere informazioni. Gli studi recenti legati ai metodi di esplorazione
geofisica e alle tecniche di acquisizione ed elaborazione dei dati per
l’individuazione di superfici e strutture sepolte hanno dimostrato le
grandi potenzialità della geofisica stessa nella identificazione e classificazione dei suoli e nell’aiuto offerto per la progettazione delle strategie in funzione di un eventuale scavo futuro. Uno dei più recenti metodi di esplorazione geofisica, che ha ricevuto un ampio consenso tra
gli archeologi, è il Ground Penetrating Radar (GPR), “il radar che penetra nel sottosuolo”. Questo metodo può definire, in maniera veloce
ed accurata, i lineamenti di corpi sepolti di interesse archeologico e le
stratigrafie in 3 dimensioni, consentendo un notevole risparmio di
tempo e denaro.
Gli studi archeologici si basano, nella maggior parte dei casi, su
dati estremamente eterogenei e di diversa attendibilità. Spesso c'è molta arbitrarietà e accidentalità nelle scoperte di resti archeologici, e le
successive strategie di scavo sono talvolta basate su una scarsa conoscenza della estensione e distribuzione delle strutture nel sottosuolo.
Raramente l'intera area di interesse viene completamente scavata; in
questo caso le informazioni ottenute da un rilievo GPR relative alla
estensione e distribuzione delle strutture di interesse archeologico possono permettere di estrapolare i risultati ottenuti in corrispondenza di
piccole aree scavate.
11
12
Capitolo I
Nei casi più sfortunati, le opere di costruzione e di urbanizzazione
possono distruggere irrimediabilmente interessanti strutture archeologiche. Il GPR, per il suo eccellente potere risolutivo, può essere usato
per identificare le aree di interesse archeologico prima
dell’urbanizzazione e consentirne così la conservazione e la tutela.
I rilievi GPR permettono agli archeologi di coprire vaste aree in un
breve periodo di tempo. In condizioni del sottosuolo particolarmente
favorevoli, alcuni sistemi radar sono in grado di penetrare fino a profondità che superano i 40 metri (Davis and Annan, 1992).
Tipicamente, il GPR è usato per “mappare” le strutture di interesse
archeologico a profondità che vanno da poche decine di centimetri a
qualche metro. I rilievi radar possono non solo identificare le strutture
sepolti per un possibile scavo futuro ma anche inserirsi nell’ambito
degli scavi stessi, mettendo in risalto l’area archeologica non ancora
conosciuta. Il principio di funzionamento del GPR è analogo a quello
di un semplice radar utilizzato per rilevare la presenza di aeroplani nel
cielo.
Sostanzialmente il GPR capta e registra le onde radar riflesse dalle
superfici di discontinuità intercettate dalle onde radar stesse. Le onde
radar, emesse da un'antenna trasmittente sotto forma di impulsi ad intervalli di tempo distinti, si propagano nel sottosuolo, vengono riflesse
da oggetti sepolti o da interfacce che hanno proprietà elettriche e magnetiche differenti e vengono successivamente rilevate in superficie da
un'antenna ricevente. Quando gli impulsi radar attraversano vari strati,
subiscono variazioni di velocità di propagazione che dipendono dalle
caratteristiche elettriche e magnetiche degli strati attraversati. Dalla
misura dei tempi di viaggio degli impulsi, se la velocità di propagazione nel sottosuolo è nota, la profondità può essere stimata in maniera accurata.
Nel metodo GPR le antenne radar vengono spostate sulla superficie
del terreno; in tal modo si ottengono profili bidimensionali che contengono un grande numero di riflessioni (figura 1). Gli andamenti di
tali riflessioni mettono in evidenza la stratigrafia del sottosuolo o la
presenza di oggetti sepolti. Se i dati vengono acquisiti lungo profili
equispaziati, la correlazione e l'analisi delle riflessioni permette di costruire una accurata immagine tridimensionale delle strutture sepolte e
quindi della stratigrafia ad essi associata.
Introduzione
13
Fig.1: Profilo GPR eseguito su una duna di sabbia al Great Sand Dunes National Monument nel Colorado. Le linee nere e bianche rappresentano le riflessioni dai piani del basamento nel sottosuolo (modificato da Olhoeft,
1994)
METODI GEOFISICI UTILIZZATI IN ARCHEOLOGIA
Ci sono anche altri metodi geofisici che sono stati applicati con
successo nell’esplorazione archeologica.
Resistività, induzione elettromagnetica e suscettibilità magnetica
sono parametri fisici spesso usati dagli archeologi (Clark, 1996).
I rilievi di resistività si ottengono inserendo quattro elettrodi nel
terreno, inducendo una corrente elettrica tra due di essi (e quindi nel
mezzo) e misurando la differenza di potenziale tra gli altri due. La
conduttività elettrica (e il suo inverso, la resistività) del terreno, e del
possibile corpo archeologico sepolto può così essere misurata. Dipendendo da un certo numero di fattori, il più importante dei quali è la distanza tra gli elettrodi sulla superficie del terreno, può essere effettuata
una stima della profondità raggiunta dalla corrente immessa e circolante nel sottosuolo. Poiché differenti tipi di suoli e strutture sepolte
hanno differenti capacità di condurre una corrente elettrica, cambiamenti di resistività elettrica nel sottosuolo possono indicare la presenza di corpi sepolti. Quando viene effettuata una serie di misure con disposizione a griglia e i risultati sono riportati su una mappa, compaiono aree anomale che possono rappresentare corpi di un certo interesse.
14
Capitolo I
Allo stesso modo, l’induzione elettromagnetica (EM) è stata anche
ampiamente usata nell’esplorazione archeologica. L’energia elettromagnetica è il simultaneo accoppiamento di un campo elettrico e un
campo magnetico. Questi campi sono perpendicolari tra di loro e perpendicolari alla direzione in cui si propagano a partire da una sorgente. I campi elettromagnetici si hanno tipicamente quando una corrente
elettrica polarizza il materiale attraverso cui essa si propaga creando
così un campo magnetico ausiliario. Tale campo non si propaga attraverso lo spostamento di elettroni, come una normale corrente elettrica,
ma dalla reazione di milioni di atomi nel materiale vicino al campo
inducente (corrente di spostamento).
Il metodo EM sfrutta quello che è chiamato campo elettromagnetico primario generato da una sorgente posta sulla superficie del terreno. Man mano che questo campo si propaga nel sottosuolo, da origine
ad un campo secondario nei materiali che sono compresi nella sua sfera di influenza. Un sensore mantenuto sulla superficie del terreno ad
una certa distanza dalla sorgente primaria, misura il campo totale. I
materiali conduttivi dissipano questo campo EM mentre i materiali resistivi favoriscono la propagazione dell’energia elettromagnetica.
Quello che si ottiene da questo tipo di misura è la conduttività del terreno. Le anomalie possono essere correlate a cambiamenti di conduttività. Entrambi i metodi di resistività ed EM sono stati usati con successo nell’esplorazione archeologica ma essi permettono solo di calcolare rozzamente la profondità delle anomalie scoperte perché il percorso dell’energia che è trasmessa (nei rilievi di resistività) o le dimensioni delle sfere di influenza nel terreno (nei rilievi EM) possono
solo essere stimati. L’utilizzo di questi metodi è vantaggioso in terreni
ricchi di argilla o umidi dove il metodo GPR è meno adatto.
Nei rilievi della suscettibilità magnetica vengono misurate piccole
variazioni del campo magnetico terrestre che possono essere causate
dalla presenza di corpi magnetizzati in prossimità della superficie terrestre stessa. Nel contesto archeologico, queste variazioni possono essere causate da pavimenti di creta (cotta al forno), vasi di terracotta,
fornaci sepolte e molte altre modifiche di natura antropica realizzate
su un paesaggio antico. Rilievi magnetici come l’EM e di resistività
sono stati applicati con successo in aree dove il GPR è risultato essere
il metodo meno appropriato; ma come per gli altri metodi, la profondità delle anomalie scoperte può essere solo stimata.
Introduzione
15
IL METODO GPR
I GPR attualmente in commercio sono molto maneggevoli e ciò
consente il loro trasporto in qualsiasi sito. Molti sistemi possono essere alimentati da qualsiasi batteria ad alto amperaggio come quelle per
auto da 12 volt, da generatori elettrici portatili o direttamente generatori a corrente alternata da 110 volt. Con alcune unità GPR recentemente sviluppate, l'intero equipaggiamento radar, compreso il computer necessario per l'acquisizione dei dati, può essere alimentato da poche batterie ricaricabili che ne consentono il funzionamento per molte
ore.
I primi sistemi GPR registravano i dati in forma analogica (su carta) e questo limitava notevolmente l’elaborazione dei dati.
Sebbene questi sistemi radar, che sono ancora in uso, possono consentire di ottenere preziose informazioni riguardanti il sottosuolo, i
moderni sistemi GPR acquisiscono i dati in forma digitale su supporto
magnetico o direttamente sul disco fisso del computer. Ciò consente di
elaborare e di filtrare i dati grezzi immediatamente dopo l'acquisizione. Il potenziamento dei nuovi computer e lo sviluppo di nuovi software ha portato un rapido miglioramento nell’interpretazione dei dati,
consentendo una migliore risoluzione del sottosuolo.
Il successo dei rilievi GPR in archeologia dipende da molti fattori
quali il tipo di terreno, la mineralogia dei sedimenti, il contenuto di
argilla, l’umidità del terreno, la profondità degli oggetti sepolti, la superficie topografica e la vegetazione. Il GPR non è un metodo geofisico che può essere applicato indifferentemente a ogni situazione geologica o archeologica, nonostante la opportuna modifica del metodo di
acquisizione ed elaborazione dei dati, possa essere adattato alle diverse condizioni dei siti. In passato si credeva che i rilievi GPR avrebbero
avuto successo solo in aree dove i terreni e i sedimenti sottostanti fossero estremamente asciutti e non conduttivi (Vickers and Dolphin
1975). Sebbene la penetrazione dell'onda radar e l'abilità di riflettere
energia in superficie aumentano in un ambiente asciutto, recenti ricerche hanno dimostrato che l'assenza di umidità non è necessariamente
un prerequisito per i rilievi GPR. Le attuali tecniche di elaborazione,
che utilizzano potenti software, hanno dimostrato che, qualche volta,
si possono ottenere dati significativi anche in condizioni di terreno
molto umido.
16
Capitolo I
Le proposte di rilievi radar devono essere analizzate preventivamente tenendo conto del proprio equipaggiamento, dei metodi di acquisizione in campagna, e dei parametri di acquisizione. Affinché un
rilievo abbia successo è spesso necessario adattare le tecniche di esecuzione del rilievo stesso alle condizioni geografica e geologica del
sito, tenendo anche conto delle probabili dimensioni e profondità degli
oggetti archeologici di interesse. Una volta che i dati radar sono stati
acquisiti e registrati (in modo digitale) su un computer, ci sono diverse
tecniche utilizzabili per il loro trattamento e la loro interpretazione. In
funzione dell'obiettivo e della qualità dei dati radar acquisiti, queste
tecniche di trattamento dei dati possono anche essere variate e modificate per venire incontro al nostro specifico bisogno.
Questo libro propone gli aspetti teorici di base del metodo GPR
nell'archeologia e alcune delle tecniche usate per acquisire, trattare ed
interpretare i dati. Alcuni degli aspetti più complicati del metodo
GPR, quali i dettagli sulla teoria elettromagnetica, le equazioni complicate usate nell’elaborazione dei dati, e i dettagli schematici riguardanti i componenti dell’equipaggiamento non sono immediatamente
appropriati per le comuni investigazioni archeologiche; tali informazioni sono tenute semplicemente al minimo. Per l’utilizzatore archeologo medio queste informazioni possono essere ottenute in grande dettaglio da un esperto radar o da un ingegnere elettronico, o ricercate
dalla bibliografia citata nel testo.
Molti archeologi vogliono solo sapere se il metodo li aiuterà nel loro lavoro e per le loro conoscenze, come realizzare un rilievo e, molto
importante, come elaborare ed interpretare i dati dopo l’acquisizione.
Questi sono gli aspetti dell’acquisizione e dell’analisi dei dati GPR
che sono enfatizzati in questo libro.
Il campo dell’archeologia sta lentamente transitando dalla “debole”
scienza che fa affidamento solo sui dati acquisiti dalle tecniche standard di scavo a una “solida” scienza che coinvolge molti metodi chimici, fisici, geologici e geofisici. Mentre questa transizione può sembrare difficoltosa per molti, essa è un avanzamento che deve farsi largo. E’ il nostro obiettivo dare una base per comprendere uno dei metodi geofisici di più successo così che l’archeologo non considererà
più la geofisica archeologica come l’uso di “scatole nere e sinistre” e
di equazioni indecifrabili che richiedono la conoscenza di consulenti
esterni esperti nel campo della scienza fisica.
Il Ground-Penetrating Radar non è un metodo solo per geofisici
che compiono qualche genere di “magia” in campagna. Molti archeo-
Introduzione
17
logi oggi hanno un background scientifico più che sufficiente che
permette loro di comprendere ed usare questo stimolante e promettente metodo per ottenere mappe archeologiche. Tutto quello che prenderemo in considerazione sono le esperienze di campagna (il
background che consentirà procedure di acquisizione prudenti), la determinazione per provare il GPR, e la pazienza per trattare ed interpretare i dati una volta che sono stati acquisiti. Questo libro contiene esempi e risultati di rilievi GPR eseguiti in numerosi e differenti siti archeologici nel mondo. In ogni caso di studio presentato, sono state applicate differenti tecniche di acquisizione GPR, elaborazione, ed interpretazione a siti che avevano differenti condizioni di suolo, profondità, dimensioni e caratteristiche delle strutture archeologiche sepolte. I
dati risultanti sono stati elaborati usando una serie di tecniche utili per
realizzare mappe delle sepolture archeologiche. Ogni caso di studio
fornisce un’illustrazione di successo della metodologia, evidenziando
sia cosa di corretto è stato ottenuto sia alcuni dei trabocchetti che possono capitare. Alcuni dei siti discussi in questo libro sono:
x
il sito Ceren in El Salvador, un villaggio Maia sepolto nella
cenere vulcanica, dove 22 case e un paesaggio preistorico vennero individuate dal GPR e cartografate in tre dimensioni.
x
I tumuli sepolti di Nyutabaru in Giappone, dove una camera
di sepoltura circondata da un fossato venne scoperta e poi scavata.
x
Il sito delle fornaci di Suzu in Giappone, dove il GPR ebbe
successo nell’identificare tre fornaci in ceramica sepolti collocati lungo un pendio.
x
Il sito di Shawnee Creek in Missouri, dove delle abitazioni in
fossa e altre strutture archeologiche vennero identificate e successivamente confermate dagli scavi.
La speranza è che alcune delle tecniche usate in questi ed altri casi
studiati qui presentati possono essere prontamente applicati a molti
altri siti archeologici con uguale successo.
STORIA
DEL
ARCHEOLOGIA
GROUND-PENETRATING
RADAR
IN
Il Ground-Penetrating Radar è stato inizialmente sviluppato come
una tecnica di prospezione geofisica per localizzare oggetti sepolti
come cavità, tubi, tunnel e miniere (Fullagar e Livleybrooks, 1994). Il
metodo GPR è stato anche usato per definire contatti litologici (Bas-
18
Capitolo I
son et al., 1994; Jol e Smith, 1992; van Heteren et al., 1994), faglie
(Deng et al., 1994), basamenti e sistemi di giunti nelle rocce (Bjelm,
1980; Cook, 1973, 1975; Dolphin et al., 1974; Moffatt e Puskar,
1976). La tecnologia GPR è stata anche usata per investigare unità di
suolo sepolte (Collins, 1992; Doolittle, 1982; Doolittle e Asmussen,
1992; Johnson et al., 1980; Olson e doolittle, 1985; Shih e Doolittle,
1984) e la profondità della falda (Beres e Haeni, 1991; Doolittle e
Asmussen, 1992; van Overmeeren, 1994).
La comunità archeologica ha appreso in modo veloce le potenzialità dell’uso del GPR come aiuto per la localizzazione e la definizione
di strutture archeologiche sepolte e le associate unità stratigrafiche.
Una delle prime applicazioni all’archeologia venne condotta a Chaco
Canyon, Nuovo Messico (Vickers et al., 1976). Lo scopo di questo
studio del 1975 fu di scoprire la collocazione di possibili mura sepolte
a profondità superiori a un metro. Un certo numero di profili trasversali vennero realizzati in quattro differenti siti, e la successiva interpretazione delle carte registrate in campagna concluse che le riflessioni radar anomale presenti su alcuni dei profili rappresentavano la posizione dei muri sepolti.
Gli studi a Chaco Canyon vennero poi seguiti da un grande numero
di applicazioni GPR nella storia dell’archeologia. Rilievi radar sono
stati usati per cercare muri di granai sepolti, muri di pietra, e depositi
posti nel sottosuolo in molte differenti aree, principalmente nella parte
orientale degli Stati Uniti (Bevan e Kenyon, 1975; Kenyon, 1977). In
questi primi studi, che vennero descritti come “echi radar”, vennero
riconosciuti muri sepolti, e la stima della profondità venne fatta utilizzando valori approssimati di velocità misurata attraverso la conoscenza delle locali caratteristiche del suolo.
Questi primi successi nella storia delle applicazioni in archeologia
vennero seguiti nel 1979 al sito di Hala Sultan Tekke a Cipro (Fisher
et al., 1980) e al sito di Ceren in El Salvador (Sheets et al., 1985). Entrambi i rilievi GPR produssero profili non elaborati di riflessioni contenenti anomalie che vennero usate per delineare muri sepolti, piattaforme di case, e altre strutture archeologiche. In entrambi i casi, i materiali che ricoprivano i siti archeologici erano estremamente asciutti e
perciò quasi “trasparenti” alla propagazione dell’energia radar, rendendo le registrazioni delle riflessioni relativamente semplici da interpretare.
Durante il 1982 e il 1983, un rilievo GPR venne realizzato nel sito
archeologico di Red Bay Labrador in Canada nel tentativo di indivi-
Introduzione
19
duare tombe, manufatti sepolti e muri di case associati ad un villaggio
marino Basque del sedicesimo secolo (Vaughan, 1986). Questa area fu
un test difficile per il GPR a causa del suolo bagnato e del terreno di
copertura che conteneva un elevato numero di sassi e altri lineamenti
naturali che hanno il potere di oscurare i dati radar riflessi. Manufatti e
lineamenti archeologici che erano sepolti da più di due metri di depositi marini e torba vennero scoperti in molti dei profili GPR acquisiti a
Red Bay. Vennero in seguito realizzati alcuni test per calcolare la velocità di propagazione dell’energia radar con lo scopo di convertire i
tempi di viaggio dell’energia radar nel sottosuolo in profondità approssimata. Gli scavi archeologici realizzati dopo testarono le origini
delle anomalie GPR identificate. Fu determinato che i beni nella tomba, consistenti in ossa e manufatti di metallo, non avevano caratteristiche sufficientemente diverse dai depositi marini e dai materiali circostanti per poter sembrare anomalie distinte, ma il suolo disturbato delle tombe diede l’idea di zone anomale sui profili radar. Numerosi ciottoli di grandi dimensioni, che avevano prodotto delle zone anomale e
di conseguenza complicato l’interpretazione dei dati, vennero trovati
nel materiale sovrastante. Altre anomalie vennero trovate essere state
generate da mura sepolte che consistevano in un cumulo di questi ciottoli.
Un’ampia serie di rilievi GPR vennero condotti in Giappone alla
metà degli anni ’80 con lo scopo di individuare delle abitazioni sepolte del sesto secolo D.C., tumuli di sepoltura e i cosiddetti “Cultural
Layers” (strati culturali) (Imai et al., 1987). In questi studi, i rilievi radar provarono la capacità di identificare antiche dimore con tetti incavati di argilla che erano sepolti da più di due metri di pomice vulcanica e terreno con alta percentuale di loam che è un tipo di suolo composto da sabbia, argilla e limo in pari proporzioni. L’interfaccia del
tetto di argilla della casa con la sovrastante pomice produssero riflessioni ben distinte che vennero facilmente riconosciute sui profili GPR.
Dopo che i dati GPR vennero interpretati e le anomalie archeologiche
delineate, parte di uno dei siti venne scavata. La collocazione delle
anomalie radar venne poi confrontata con la posizione delle case, tumuli di sepoltura e associate trincee, con eccellente correlazione. Su
alcuni profili GPR vennero riconosciuti tre strati culturali, presenti nel
terreno sepolto e contenenti manufatti in pietra associabili a differenti
periodi di occupazione.
Per tutta la fine degli anni ’80 e l’inizio degli anni ’90, il GPR è
stato continuamente usato con successo in numerose indagini archeo-
20
Capitolo I
logiche. In molti casi questi studi furono esercizi di “caccia
all’anomalia” usati per cercare possibili lineamenti culturali a sconosciuta o conosciuta profondità e che successivamente potevano essere
presi in considerazione per lo scavo.
Gli studi radar incominciarono ad essere molto numerosi per la ricerca archeologica alla fine degli anni ’80 e venivano principalmente
utilizzati per individuare lineamenti sepolti per il successivo scavo o
per la gestione e la conservazione delle risorse culturali. Lo storico sito del Forte Laramie in Wyoming (De Vore, 1990), le mura Romane a
York in Inghilterra (Stove e Addyman, 1989), il sito di Rockwell
Mount nell’Illinois e il parco di Kualoa sull’Oahu, Hawaii (Doolittle e
Miller, 1991) sono alcuni esempi di questo genere di lavoro.
Prima del 1993, l’applicazione archeologica più coinvolgente e di
successo del GPR fu quella realizzata per mappare le case e i tumuli di
sepoltura in Giappone, discussa prima (Imai et al., 1987). Questo successo venne seguito dai numerosi rilievi GPR in Giappone, condotti
da Goodman e dai suoi colleghi (Goodman, 1994; Goodman e Nishimura, 1993; Goodman et al.,1994; Goodman et al., 1995). Questi studi
impiegarono per primi nuove tecniche di acquisizione ed elaborazione
dei dati GPR, alcune delle quali verranno discusse in questo libro. Le
“Time- e Depth-Slice”, modelli bi-dimensionali simulati al computer,
e ricostruzione tridimensionale dei lineamenti sepolti vennero tutte
utilizzate per scoprire e mappare forni in ceramica, tumuli di sepoltura
circondati da un fossato, e singole tombe di pietra allineate. Venne riscontrato un vasto range di condizioni di sepoltura, ed in alcuni casi
queste vennero studiate con dei modelli sintetici prima di acquisire i
dati con lo scopo di individuare le antenne più adatte alle locali condizioni. Questi modelli vennero anche usati come aiuto
nell’interpretazione durante l’analisi dei dati.
Uno dei maggiori progressi del GPR per l’archeologia fu il fatto
che le riflessioni radar, misurate in tempi, potevano essere definite in
profondità reale quando la velocità dell’onda radar era determinata
(Imai et al., 1987; Vaughan, 1986).
La identificazione di riflessioni che corrispondono a orizzonti di
interesse archeologico vennero anche usate in modo limitato per mappare la correlata stratigrafia e la topografia sepolta (Conyers, 1995b;
Imai et al., 1987). Recentemente l’applicazione delle simulazioni bidimensionali al computer e le tecniche di elaborazione tridimensionale
(Goodman et al., 1994; 1995) hanno mostrato che anche i dati radar
che non producono immediatamente riflessioni visibili possono ancora
Introduzione
21
contenere riflessioni interessanti ad un ulteriore analisi al computer.
Nel futuro, l’uso di queste ed altre nuove tecniche amplierà fortemente
l’utilità dell’esplorazione GPR in archeologia.
Molti archeologi che utilizzano il GPR nei loro siti sono interessati
solo all’identificazione di anomalie sepolte che rappresentano strutture
di interesse (vedi, per esempio, Butler et al., 1994; Sternberg e
McGill, 1995; Tyson, 1994). Sebbene questo tipo di applicazioni del
GPR è preziosa nel senso che le strutture sepolte possono essere immediatamente identificati, questo libro illustrerà come le riflessioni
nei dati radar acquisiti in questi tipi di studi possono essere ulteriormente migliorate da un certo numero di tecniche di elaborazione, interpretazione e visualizzazione. Con un piccolo sforzo addizionale, la
tecnologia dei computer permette la costruzione di mappe che possono essere interpretate in modi che produrranno maggiori informazioni
riguardanti il sito indagato.
L’abilità del GPR a non solo mappare strutture sepolte e altri lineamenti culturali in modo non invasivo e in profondità reali, ma anche
di ricostruire l’antico paesaggio di un sito, incomincerà ad aumentare
di importanza. Il miglioramento dei dati GPR grezzi al computer incomincerà anche ad estendersi nel momento in cui i ricercatori aumenteranno la loro familiarità con alcune delle tecniche di elaborazione
discusse in questo libro e molte altre che sono anche attualmente utilizzabili.
CAPITOLO II
IL METODO GPR
Il metodo GPR si basa sulla trasmissione di impulsi elettromagnetici (radar) ad alta frequenza nel terreno e sulla misura del tempo trascorso tra la trasmissione e la ricezione in superficie degli impulsi
stessi (riflessione da una discontinuità sepolta). Un impulso di energia
radar è immesso nel terreno da un antenna trasmittente che è disposta
sopra, o vicino alla superficie del terreno. L’onda elettromagnetica si
propaga verso il basso nel terreno; quando incontra una superficie di
discontinuità parte di essa è riflessa (torna indietro in superficie) e parte trasmessa. Le riflessioni sono generalmente causate da variazioni
delle proprietà elettriche del terreno, variazioni di contenuto d’acqua,
cambiamenti litologici o variazioni di densità di volume all’interfaccia
stratigrafica.
Le riflessioni possono anche essere generate
all’interfaccia tra l’oggetto archeologico e il terreno circostante. Spazi vuoti nel terreno, come quelli che si possono incontrare nelle sepolture, tombe, tunnel ecc.., generano riflessioni significative dovute al
cambiamento di velocità dell’onda radar. La profondità a cui l’energia
radar può penetrare e la definizione che ci si può aspettare nel sottosuolo sono parzialmente controllati dalla frequenza dell’energia radar
trasmessa. Dalla frequenza dell’energia radar trasmessa dipendono anche la lunghezza d’onda e l'attenuazione dell’onda che si propaga nel
terreno.
La banda di frequenza delle antenne normalmente utilizzate varia
da circa 10MHz a circa 1000MHz.
Ogni antenna, caratterizzata da una frequenza centrale (frequenza
di centro banda), irradia energia in un range di circa 2 ottave1 intorno
a questa frequenza. Le antenne radar sono generalmente alloggiate su
una slitta di legno o fibra di vetro che è poi la parte che viene adagiata
sulla superficie del terreno (figura 2), o appoggiata su ruote a pochi
centimetri sul terreno. Le antenne possono anche essere appoggiate
1
Un ottava è l’intervallo tra due frequenze aventi un rapporto di due (o
½)
23
24
Capitolo II
direttamente sul terreno senza essere alloggiate in alcun supporto.
Quando vengono utilizzate due antenne, una come antenna trasmittente e l’altra come antenna ricevente si parla di acquisizione in bistatico.
Fig.2: Acquisizione dei dati GPR con l’utilizzo di una coppia di antenne da
300 megahertz (MHz) alloggiate in una slitta di fiberglass. I dati sono trasmessi dall’antenna all’unità di controllo attraverso un cavo.
Quando viene usata una sola antenna sia come trasmittente che
come ricevente, essa trasmette l’impulso radar e subito dopo si pone in
ricezione per captare l’energia riflessa da un eventuale bersaglio (in
questo caso si parla di acquisizione in monostatico). Le antenne sono
generalmente trascinate a mano lungo un profilo all'interno di una griglia a una velocità media di circa 2Km/h, o possono essere agganciate
dietro un veicolo e trascinate ad una velocità media di circa 10Km/h o
più alta. Ci sono molti modi di muovere l’antenna sulla superficie del
terreno, mentre vengono acquisiti i dati, che dipendono dal tipo di equipaggiamento GPR impiegato e dal software che lo accompagna. In
uno di questi modi l’antenna, o le antenne, viene mossa in modo continuo lungo la superficie del terreno mentre l’energia radar è costantemente trasmessa nel sottosuolo ad un ritmo fissato che dipende dal
Il metodo GPR
25
tipo di strumentazione. Il numero di dati per metro che possono essere
acquisiti lungo il profilo dipende dalla velocità di trascinamento delle
antenne. Le antenne possono anche essere mosse per punti; questo tipo di acquisizione permette di raccogliere i dati solo in determinati
punti, ugualmente spaziati, sulla superficie del terreno. Una migliore
acquisizione, con conseguente maggiore copertura, prevede una spaziatura di 5 cm piuttosto che 10 cm. Un altro metodo di acquisizione
dati permette all’operatore di raccogliere questi ultimi a distanze preventivamente programmate (ad esempio ogni 5 cm) lungo un tracciato
mentre le antenne vengono mosse in modo continuo. In questo caso le
distanze sono controllate da una ruota calibratrice posta sulle antenne.
Gli autori di questo libro hanno lavorato principalmente con sistemi
GPR che trasmettono e ricevono dati in continuo e tutti gli esempi nel
testo si basano su dati raccolti con questo tipo di sistema.
Il metodo di acquisizione per punti è ottimale in quanto permette di
ottenere una buona risoluzione del sottosuolo, un immagine più chiara
e dati che possono essere considerati “eccellenti” per il trattamento
post acquisizione. Questo metodo però necessita di più tempo e perciò
i dati che possono essere acquisiti in un tempo accettabilmente breve
sono relativamente pochi.
Un metodo molto efficiente per la “mappatura” radar del sottosuolo è quello di disegnare una griglia sull’area del rilievo prima di acquisire i dati (Doolittle and Miller 1991).
Generalmente sono progettate griglie rettangolari con linee spaziate di un metro o meno. Le griglie rettangolari producono dati che sono
più facili da trattare ed interpretare, ma quando le condizioni topografiche e altri tipi di ostacoli sulla superficie del terreno lo richiedono
possono essere progettati altri tipi di griglie. Qualche volta sono stati
realizzati rilievi con linee che si irradiano da un area centrale, per esempio, per definire un fossato intorno a una probabile struttura centrale fortificata (Bevan 1977). Un modello di griglia romboidale è stato usato con successo in un campo di canna da zucchero sul versante
di una collina (Conyers 1995a), dove le antenne sono state trascinate
tra le piante allineate. I dati ottenuti da rilievi con griglie non rettangolari vengono utilizzati come quelli acquisiti in griglie rettangolari,
sebbene potrebbe essere richiesto più tempo per il rilevamento e un
trattamento diverso dei dati per l’interpretazione finale. Occasionalmente i rilievi GPR sono stati effettuati su superfici ghiacciate di laghi
o fiumi (Annan and Davis 1977; Davis and Annan 1992; Doolittle and
Asmussen 1992; Jol and Smith 1992). Le onde radar attraversano fa-
26
Capitolo II
cilmente il ghiaccio e l’acqua ghiacciata nel terreno sottostante, mettendo in evidenza i lineamenti del fondo del lago o del fiume. La slitta
che contiene l’antenna radar può facilmente scivolare sulla superficie
del lago o del fiume e sulla riva, mentre vengono raccolti i dati relativi
agli strati di sedimento sottostante (Wright et al. 1984). Queste tecniche, tuttavia, non possono essere utilizzate in acqua salata perché
l’alta conduttività elettrica dissiperà velocemente l’energia elettromagnetica prima che essa possa essere riflessa indietro all’antenna ricevente. Quando le antenne vengono trascinate in modo continuo lungo
un profilo all’interno di una griglia preventivamente programmata, gli
impulsi di energia radar sono inviati continuamente nel terreno e riflessi da discontinuità nel sottosuolo; gli impulsi riflessi sono poi ricevuti in superficie e registrati.
Le antenne radar mobili sono connesse all’unità di controllo da un
cavo. I moderni sistemi GPR convertono l'energia delle onde riflesse,
intercettate dall'antenna ricevente, in forma digitale. I più vecchi sistemi GPR, ai quali mancava la capacità di digitalizzare direttamente
sul campo il segnale originato dalle riflessioni, registravano i dati su
nastro magnetico o su carta. I dati relativi alle riflessioni (il tempo
doppio di viaggio, e l’ampiezza delle onde radar riflesse) venivano poi
amplificati, trattati e registrati per l’immediata visualizzazione o il
successivo trattamento post acquisizione. Durante l’acquisizione dei
dati, il processo di trasmissione di impulsi radar è ripetuto più volte a
seconda di come le antenne sono trascinate (o mosse per punti) lungo
la superficie del terreno. La visualizzazione di tutte le tracce riflesse
fornisce una rappresentazione delle principali superfici riflettenti del
sottosuolo. (figura 1). In questo modo vengono creati profili bidimensionali, che approssimano sezioni verticali, lungo ogni linea della griglia. Le riflessioni radar sono sempre registrate in “two-way time”
(tempo doppio di viaggio) che è il tempo impiegato da un'onda radar
per viaggiare nel terreno partendo dalla superficie dell’antenna trasmittente fino ad arrivare al bersaglio (dove viene riflessa) e tornare
indietro sulla superficie all’antenna ricevente. I tempi di viaggio possono essere convertiti in profondità se la velocità dell’onda radar nel
mezzo attraversato è conosciuta. La velocità dell’onda radar, che si
propaga nel terreno, dipende da un certo numero di fattori il più importante dei quali è legato alle proprietà elettriche del materiale attraversato (Olhoeft 1981). In aria le onde radar viaggiano alla velocità
della luce (circa 30 cm/nanosecondo). Quando l'energia radar viaggia
attraverso la sabbia asciutta la sua velocità diminuisce e diventa di cir-
Il metodo GPR
27
ca 15 cm/ns. Se l’energia radar passa attraverso la sabbia satura
d’acqua, la sua velocità diminuirà ulteriormente a circa 5 cm/ns o meno.
Su ognuna delle interfacce, dove la velocità cambia vengono generate riflessioni.
PROPAGAZIONE DELL’ENERGIA RADAR.
L’obiettivo principale di molti rilievi GPR in archeologia è quello
di differenziare le interfacce nel sottosuolo. Tutti gli strati sedimentari
nel terreno hanno particolari proprietà elettriche e magnetiche che influenzano la velocità di propagazione dell’energia elettromagnetica e
la sua dissipazione nel terreno. Più grande è il contrasto di queste proprietà tra due materiali sepolti, più forte è il segnale riflesso (Sellman
et al. 1983). La difficoltà di misurare le proprietà elettriche e magnetiche delle strutture sepolte e la limitazione o l’assenza di sondaggi diretti, generalmente preclude la possibilità di effettuare calcoli accurati
di riflettività. Le più forti riflessioni radar nel terreno si verificano generalmente all’interfaccia tra due spessi strati con proprietà elettriche
molto differenti. Riflessioni di ampiezza più piccola si verificano generalmente quando sono presenti solo piccole differenze nelle proprietà elettriche tra gli strati. I modelli sintetici bidimensionali generati al
computer, discussi nel capitolo V, possono essere un valido aiuto per
calcolare le ampiezze delle riflessioni e la risoluzione del metodo per
l’individuazione delle diverse strutture sepolte. Se sono disponibili informazioni sui potenziali bersagli, stratigrafia e condizioni del terreno,
questi modelli possono predire l’intensità delle riflessioni e la loro posizione nello spazio. I programmi per la costruzione di modelli sintetici sono una delle innovazioni nella tecnologia GPR con ampie applicazioni in archeologia. Essi non solo possono predire se le strutture di
interesse archeologico genereranno riflessioni visibili, ma possono essere adattati a condizioni geologiche variabili e al tipo di equipaggiamento radar.
Le onde radar riflesse, ricevute dall’antenna, sono convertite in segnali elettrici che si manifestano come piccole variazioni di tensione.
Questi segnali sono trasmessi all’unità di controllo, amplificati e registrati.
Uno dei vantaggi dei dati registrati digitalmente è che essi possono
essere trattati, filtrati e visualizzati immediatamente “in tempo reale”
durante l’acquisizione sullo schermo di un computer in campagna; es-
28
Capitolo II
si sono anche più facilmente elaborabili quando vengono trasferiti a
un personal computer una volta tornati in ufficio. Poche elaborazioni
possono essere fatte quando i dati grezzi vengono registrati solo su
carta (Milligan e Atkin, 1993).
L’energia radar incomincia a disperdersi e ad attenuarsi dal momento in cui viene irradiata nel terreno.
Infatti quando porzioni del segnale originale trasmesso sono riflesse indietro verso la superficie, esse subiranno una attenuazione addizionale da parte del materiale che attraversano prima di essere finalmente registrate in superficie. Perciò, per essere identificate come riflessioni, le interfacce importanti del sottosuolo, non solo devono separare strati con sufficiente contrasto elettrico, ma devono anche essere collocate a profondità tali che l'onda abbia energia sufficiente per
essere riflessa indietro alla superficie. Man mano che l’energia radar si
propaga a profondità crescenti il segnale diventa più debole ed è disperso, quindi l’energia utilizzabile per la riflessione diventa sempre
minore e le onde registrate hanno di conseguenza un ampiezza minore. Per ogni sito, la massima profondità di penetrazione varierà con il
tipo di condizioni geologiche e il tipo di antenna usato. Il filtraggio dei
dati e altre tecniche di amplificazione possono qualche volta essere
applicate nel trattamento post acquisizione per migliorare la visualizzazione delle riflessioni di ampiezza molto bassa provenienti dai punti
più profondi nel sottosuolo.
REALIZZAZIONE DI PROFILI CONTINUI IN RIFLESSIONE
Molte unità radar usate per investigazioni in archeologia trasmettono brevi impulsi nel terreno e poi misurano i tempi di arrivo delle onde riflesse derivate da questi impulsi man mano che le antenne sono
trascinate lungo la linea del rilievo. Quindi una serie di onde riflesse
viene registrata man mano che le antenne vengono mosse lungo il
tracciato. Se è necessario un più alto grado di risoluzione, le antenne
radar possono essere trascinate lentamente e questo permette di registrare più tracce per ogni centimetro di terreno attraversato. Se è sufficiente una minore copertura della superficie del sottosuolo, le antenne
possono essere mosse più velocemente.
Se viene utilizzato il metodo di acquisizione per punti, la distanza
tra i punti può essere aumentata o diminuita, a seconda della risoluzione (intesa come numero di tracce per cm) che si desidera. L’unità
di controllo radar può anche essere programmata per emettere un più
Il metodo GPR
29
grande o più piccolo numero di impulsi radar nell'unità di tempo. Molte delle vecchie unità radar, che registravano i dati in modo continuo
lungo un tracciato, erano impostate per registrare i dati a velocità
standard (128, 256, 512 o 1024 tracce per secondo) tramite un interruttore manuale sull’unità di controllo.
Ricordiamo che una traccia è una registrazione dell’energia elettromagnetica dalla superficie fino ad un valore del tempo prefissato
come fondo scala.
Fig.3: Generazione dell’iperbole di riflessione da un punto sorgente. Man
mano che l’antenna viene trascinata sul terreno il suo ampio campo visivo le
permette di “vedere” il punto sorgente prima di arrivare sopra esso (1). Il
tempo di riflessione ('t), tuttavia, è registrato come se il punto sorgente fosse
direttamente sotto l’antenna (2). Solo quando l’antenna è direttamente
sull’oggetto verrà registrato il tempo corretto. Man mano che ci si allontana
dal punto sorgente, le riflessioni continueranno ad essere registrate dallo stesso punto, creando un’iperbole di riflessione nel risultante profilo bidimensionale (3).
Nelle moderne unità GPR il software permette la regolazione della
velocità di registrazione a seconda della precisione necessaria. Per e-
30
Capitolo II
sempio se desideriamo avere una traccia ogni due centimetri lungo un
profilo e la velocità delle antenne lungo la superficie del terreno è di
20 cm/s, allora la velocità di registrazione dovrebbe essere impostata a
10 tracce per secondo. Se desideriamo avere una traccia ogni centimetro allora la velocità di registrazione diventa 20 tracce per secondo. Le
riflessioni dal sottosuolo registrate in tracce distinte e graficate insieme in un profilo permettono di avere una rappresentazione bidimensionale del sottosuolo (figura 1). Una serie di riflessioni che insieme
determinano una linea orizzontale o sub-orizzontale lungo un profilo
individuano una superficie riflettente. Una riflessione distinta visibile
in un profilo è generalmente provocata o dalla superficie di separazione tra due unità stratigrafiche o da altre discontinuità fisiche come può
essere una tavola d’acqua. Le riflessioni registrate a tempi elevati provengono generalmente da oggetti profondi nel sottosuolo. Ci possono
anche essere riflessioni generate da punti sorgente. Questi sono visibili
come iperboli in un profilo bidimensionale. A causa dell’ampio angolo di trasmissione del raggio radar, l’antenna vedrà il punto sorgente
prima che arrivi direttamente su di esso, e continua a vederlo anche
dopo essere passata sopra (fig. 3). Il risultato sarà un iperbole di riflessione, qualche volta chiamata scorrettamente diffrazione, sui profili
bidimensionali.
REGISTRAZIONE DEI DATI
Alcuni dei primi modelli di sistemi GPR erano abilitati a registrare
i dati riflessi su carta per mezzo di un registratore grafico (Batey 1987;
Fisher et al. 1980; Loker 1983), che utilizzava carta elettrosensibile
che si muoveva sotto una stilo anch’essa mobile caricata elettricamente. L’energia elettrica trasmessa alla stilo variava con la variazione di
ampiezza delle onde riflesse. Sulla carta stampata veniva generalmente impostata una scala verticale con il tempo doppio di viaggio misurato in nanosecondi (ns). Quando si usava un registratore grafico,
l’operatore poteva variare la velocità di movimento della carta e il tipo
di movimento della stilo per produrre un’ampia varietà di stili (Batey
1987; Fisher et al. 1980). Questo tipo di registrazione è stato ormai
superato dai sistemi digitali, ciò non toglie che alcuni di questi sistemi
siano ancora operativi.
In alcune delle più antiquate unità analogiche GPR, i dati dell’onda
riflessa potevano essere registrati su nastro magnetico come piccole
Il metodo GPR
31
variazioni di tensione intorno ad un arbitrario valore medio (Loker
1983). I dati così registrati potevano essere successivamente convertiti
in forma digitale. Nei primi anni ’80 le unità GPR hanno iniziato a registrare i dati in forma digitale (Annan and Davis 1992; Geophysical
Survey Systems, Inc. 1987). In questi sistemi, un computer posto
nell’unità di controllo permette di visualizzare, processare, filtrare e
correggere i dati in modo semplice. Le unità digitali sono diventate
l’equipaggiamento standard in molti rilievi GPR, sebbene con le vecchie unità analogiche possono ancora essere acquisiti dati di buona
qualità.
PARAMETRI FISICI CHE INFLUENZANO LA PROPAGAZIONE DELL’ENERGIA ELETTROMAGNETICA
L’effettiva massima penetrazione delle onde GPR è una funzione
della frequenza delle onde che si propagano nel terreno e delle caratteristiche fisiche del materiale attraverso cui esse viaggiano. Le proprietà fisiche che influenzano le onde elettromagnetiche che attraversano
un mezzo sono la conduttività elettrica e la permeabilità magnetica del
mezzo stesso (Annan et al. 1975; GSSI 1987). Terreni, sedimenti o
rocce che sono buoni dielettrici permetteranno il passaggio di molta
energia elettromagnetica con scarsa dissipazione della stessa. Un materiale elettricamente molto conduttivo è un cattivo dielettrico. Per la
massima penetrazione dell’energia radar un mezzo dovrebbe essere
altamente dielettrico con bassa conduttività elettrica. La permettività
dielettrica relativa (RDP) di un materiale è definita come la capacità
del materiale di immagazzinare, e poi restituire energia elettromagnetica quando è applicato ad esso un campo elettromagnetico (Von Hippel 1954). Essa può anche essere ritenuta come una misura dell’abilità
di un materiale posto all’interno di un campo elettromagnetico di acquisire un certo grado di polarizzazione e perciò a rispondere alla propagazione delle onde elettromagnetiche (Olhoeft 1981). La RDP è
calcolata come rapporto tra la permettività dielettrica del materiale e la
permettività dielettrica del vuoto (che vale 1). La permettività dielettrica del materiale varia con la sua composizione chimica, contenuto
di umidità, densità di volume, porosità, struttura fisica e temperatura
(Olhoeft 1981). È generalmente difficile calcolare la RDP in campagna, ma una sua stima è possibile adoperando alcune tecniche che verranno discusse nel capitolo VI. La misura può anche essere effettuata
in laboratorio su campioni di terreno o di sedimento. La permettività
Capitolo II
32
dielettrica relativa in aria, che esibisce una polarizzazione elettromagnetica trascurabile, è approssimativamente 1.0003 (Dobrin 1976) ed
è generalmente arrotondata a 1. In rocce vulcaniche o in altre rocce
dure essa varia in un range che va da 6 a 16; nei terreni bagnati o ricchi di argilla essa può avvicinarsi a 40 o 50. In sedimenti insaturi, con
poca o niente argilla, la permettività dielettrica può raggiungere anche
valori più bassi di 5. In generale più alta è la RDP del materiale più
bassa e' la velocita' dell’onda radar che si propaga in esso. Una stima
della RDP per alcuni terreni, sedimenti e tipi di rocce è mostrata in tabella 1.
Tab. 1: Permettività dielettrica relativa (RDP) tipica dei più comuni materiali geologici (antenna usata :100 MHz). (Modificata da Davis and Annan 1989 e da Geophysical
Survey System Inc. 1987).
MATERIALE
Aria
Acqua dolce
Ghiaccio
Acqua di mare
Sabbia asciutta
Sabbia satura
Cenere vulcanica
Calcare
Minerale schistoso
Granite
Carbone
RDP
1
80
3–4
81 – 88
3–5
20 – 30
4–7
4–8
5 – 15
5 – 15
4-5
MATERIALE
RDP
Superficie del terreno
Limo asciutto
Limo saturo
Argilla
Suolo perennemente geleto
Terreno sabbioso
Terreno di foresta
Terreno agricolo
Cemento
Asfalto
12
3 – 30
10 – 40
5 – 40
4–5
10
12
15
6
3–5
I metodi descritti nel capitolo VI permettono un accurata misura
della RDP in laboratorio attraverso l’utilizzo di uno speciale equipaggiamento, o in campagna, usando differenti tecniche di analisi di velocità. L’equazione 1, che mette in relazione la velocità dell’onda radar
con la RDP del materiale che essa attraversa, è mostrata qui di seguito.
Professionisti del GPR spesso usano casualmente la frase “la velocità
del materiale” che può far sembrare che il materiale si muove. Con
questa frase si indica la velocità dell’onda elettromagnetica che attraversa il materiale.
k
c
v
equazione 1
Il metodo GPR
33
k = permettività dielettrica relativa (RDP) del materiale attraverso
dall’energia radar;
c = 0.2998 m/ns (velocità della luce);
v = velocità dell’energia radar che passa attraverso il materiale con
RDP pari a k.
Più grande è la differenza di RDP tra i materiali nel sottosuolo, più
grande è l’ampiezza delle riflessioni generate. L’ampiezza dell’onda
riflessa generata a un interfaccia può essere quantificata usando
l’equazione 2 se la RDP dei due materiali è conosciuta (Sellman et al.
1983; Walden and Hosken 1985).
R
( k1 k 2 )
( k1 k 2 )
equazione 2
R= coefficiente di riflessione per incidenza normale;
k1= RDP del materiale sovrastante;
k2= RDP del materiale sottostante.
Al fine di generare una riflessione significativa, il cambiamento di
RDP tra due materiali deve avvenire su una piccola distanza. Quando
la RDP cambia gradualmente con la profondità, si verificheranno solo
piccole differenze nella riflettività su distanze dell'ordine dei centimetri, e saranno generate solo deboli o nessuna riflessione. Altri due parametri fisici influenzano la propagazione dell'onda radar nel terreno e
sono la permeabilità magnetica del mezzo e la sua conduttività elettrica. La permeabilità magnetica è l’attitudine del materiale ad acquisire
un certo grado di magnetizzazione quando viene posto in un campo
elettromagnetico (Sheriff 1984). Molti terreni e sedimenti sono scarsamente magnetici e perciò hanno bassa permeabilità magnetica. Più
alto è il valore della permeabilità magnetica più alta sarà
l’attenuazione dell’energia elettromagnetica durante la trasmissione.
Mezzi che contengono minerali di magnetite, ossido di ferro o terreni
ricchi di ferro hanno un alta permeabilità magnetica e perciò trasmettono poca energia radar. La conduttività elettrica è l’attitudine di un
materiale a condurre corrente elettrica (Sheriff 1984).
Quando il mezzo attraversato dall’onda radar ha un alta conduttività elettrica l’energia radar viene attenuata velocemente.
Capitolo II
34
Mezzi contenenti acqua salata, argilla (specialmente argilla umida)
sono altamente conduttivi. Tutti i terreni o sedimenti che contengono
sali sciolti o elettroliti sono altamente conduttivi. Terreni agricoli coltivati che sono parzialmente saturi di azoto sciolto e potassio possono
avere una elevata conduttività, come pure i terreni umidi impregnati di
carbonato di calcio o terreni di “caliche2” nelle regioni desertiche.
L’energia radar non penetra nei metalli. Un oggetto metallico rifletterà
il 100% dell’energia radar che lo colpisce e oscurerà ogni cosa al di
sotto di esso.
PROPAGAZIONE DEL SEGNALE RADAR
Molti utilizzatori “principianti” dei sistemi GPR immaginano il
lobo di propagazione radar come un sottile raggio a forma di matita
che è focalizzato direttamente al disotto dell’antenna. In realtà le onde
elettromagnetiche prodotte da una antenna standard commerciale irradiano energia radar nel terreno in un cono ellittico (figura 4) il cui apice è al centro dell’antenna trasmittente (Annan and Cosway 1992;
Annan and Csway 1994; Arcone 1995: Davis and Annan 1989). Questo cono ellittico di trasmissione è generalmente allungato e parallelo
alla direzione di moto dell’antenna lungo la superficie del terreno.
Il lobo di radiazione è generato da un antenna a dipolo orizzontale
a cui sono, qualche volta, aggiunti elementi chiamati di protezione che
riducono effettivamente la radiazione verso l’alto (schermatura).
Qualche volta il solo meccanismo di protezione è una lamina di metallo che è posta sull’antenna per re-riflettere l’energia irradiata verso
l’alto. Per motivi di costo e portabilità (grandezza, peso) l’uso di antenne radar più complesse che possono essere in grado di focalizzare
l’energia nel terreno più efficacemente e in un raggio più sottile è stato
limitato. Quando un antenna a dipolo elettrico è collocata in aria (o
alloggiata in un supporto) il lobo di radiazione è approssimativamente
perpendicolare all’asse dell’antenna.
Quando l’antenna è posta sul terreno, si ha un cambiamento del lobo di radiazione dovuto all’accoppiamento con il terreno stesso (Engheta et al. 1982).
All’interfaccia aria-suolo si verifica una prima rifrazione che provoca un cambiamento di direzionalità del fascio radar; molta energia
2
Caliche è uno strato di superficie cementata che si forma nelle zone semiaride temperate dalle precipitazioni di carbonato di calcio.
Il metodo GPR
35
viene incanalata al disotto dell’antenna e si propaga in un cono (Annan et al. 1975).
Fig.4: Cono ellittico della penetrazione GPR nel terreno. L’equazione 3 definisce la geometria del cono al variare della profondità e della lunghezza
d’onda. Il footprint (di raggio A) è l’area illuminata della superficie orizzontale sepolta (Annan and Cosway 1992). D è la profondità della superficie riflettente; K è la costante dielettrica relativa (RDP) e è la lunghezza d’onda
relativa alla frequenza di centro banda dell’antenna utilizzata.
Più alta è la RDP del materiale superficiale, più bassa è la velocità
dell’energia radar trasmessa, e più focalizzato (meno aperto) è il cono
di trasmissione che si propaga nel terreno (Goodman 1994). Questo
effetto di focalizzazione continua ad aversi man mano che l’onda radar viaggia nel terreno e il materiale ha una RDP sempre più alta (figura 5).
La quantità di energia rifratta in profondità, e perciò la quantità di
focalizzazione, è una funzione della legge di Snell (Sheriff 1984). Nella legge di Snell la quantità di energia riflessa o rifratta sulla superficie
di separazione tra due mezzi dipende dall’angolo di incidenza e dalla
velocità dell’onda. In generale più alto è l’incremento di RDP con la
profondità più alta diventa la focalizzazione del cono di trasmissione.
Si ha l’opposto se la RDP diminuisce con la profondità (figura 5). In
questo caso il cono di trasmissione si espande.
La radiazione sulla parte anteriore e posteriore dell’antenna è generalmente più grande che ai lati (figura 4); il cono di radiazione che in-
36
Capitolo II
tercetta una superficie piana orizzontale ne illumina una zona a forma
di ellisse con l’asse maggiore parallelo alla direzione di trascinamento
dell’antenna (Annan and Cosway 1992).
Fig.5: Effetto della focalizzazione (figura in alto) delle onde radar che viaggiano attraverso strati con RDP crescente e perciò velocità decrescente. Se le
onde radar viaggiano attraverso strati con velocità crescente, e perciò RDP
decrescente (figura in basso), si disperdono con la profondità.
Il lobo di radiazione nel sottosuolo permette così di “guardare” non
solo direttamente sotto l’antenna ma anche di fronte, in dietro e ai lati
man mano che l’antenna si sposta sulla superficie del terreno.
Se ci sono bersagli stretti e lunghi nel sottosuolo il modo migliore
per metterli in evidenza è quello di intersecarli con profili ortogonali
alla loro direzione di allungamento. Alcune antenne, specialmente
Il metodo GPR
37
quelle a bassa frequenza (80 – 120 MHz), non sono schermate e perciò irradiano energia radar in tutte le direzioni. Le antenne non schermate possono registrare riflessioni generate dalla persona che sta trascinando l'equipaggiamento radar o da altri oggetti vicini, come alberi,
palazzi, ostacoli in metallo o linee elettriche (Lanz et al. 1994). La discriminazione dei tipi di bersagli, specialmente quelli di interesse posti
nel sottosuolo, può essere difficile se sono utilizzati questi tipi di antenne. Tuttavia, se le riflessioni generate da antenne non schermate si
verificano tutte allo stesso tempo, come quelle delle persone che trascinano l’antenna, esse possono essere facilmente filtrate ed eliminate
in fase di trattamento dei dati. Un esempio di filtraggio di dati acquisiti con un antenna non schermata è illustrato nel capitolo IV. Se si hanno riflessioni da alberi collocati in maniera casuale, ostacoli, o persone
che si muovono intorno all’antenna, queste generalmente non possono
essere discriminate facilmente dalle riflessioni importanti nel sottosuolo, e l’interpretazione dei dati è molto più difficile. Se l’antenna
radiante è schermata in modo tale che l’energia si propaga principalmente verso il basso, può essere stimato l’angolo del lobo conico di
radiazione in modo dipendente dalla frequenza di centro banda
dell’antenna (Annan and Cosway 1992). La stima del lobo di radiazione è importante specialmente quando si progetta la spaziatura tra le
linee di una griglia in modo da mettere in evidenza tutti i bersagli di
una certa importanza nel sottosuolo, cioè in modo tale che questi ultimi siano colpiti dall’energia radar trasmessa e che perciò possano generare riflessioni. In generale l’angolo del cono è definito dalla permettività dielettrica relativa del materiale attraversato dalle onde e
dalla frequenza di emissione dell’antenna. Un’equazione che può essere usata per stimare la larghezza del fascio di trasmissione a varie
profondità (il footprint) è mostrata in figura 4. Questa equazione (equazione 3) può essere usata solo come una approssimazione grossolana del caso reale perché in essa si assume una permettività dielettrica costante del mezzo in cui l’energia si propaga. Al di fuori di condizioni rigorosamente controllate in laboratorio, questo non è mai il caso. Strati sedimentari e di terreno hanno costituenti chimici variabili e
differente grado di umidità, compattezza e porosità. Queste e altre variabili possono creare un complesso sistema a strati con permettività
dielettriche variabili e perciò lobi di energia differenti. Le dimensioni
del fascio trasmesso possono anche dipendere dal 'design'
dell’antenna. La stima della direzionalità dell’energia trasmessa è ulteriormente complicata dal fatto che l’energia radar dell'onda che si pro-
38
Capitolo II
paga non ha una frequenza ben distinta ma un range di molte centinaia
di MHz intorno alla frequenza centrale. Se si effettuano una serie di
calcoli su ogni strato, assumendo note tutte le variabili e assumendo
anche una frequenza ben distinta, allora il cono di trasmissione si dovrebbe allargare in alcuni strati e restringere in altri, creando così un
lobo tridimensionale molto complesso. In molte applicazioni archeologiche la stima della configurazione del fascio radar viene effettuata
assumendo un modello semplice di sottosuolo. La determinazione delle dimensioni del fascio che si propaga è importante prima di condurre
un rilievo in modo da adottare una spaziatura della griglia a distanze
più piccole della larghezza massima del cono alla profondità di interesse (equazione 3 in figura 4). Una spaziatura più ampia delle linee
del rilievo può far perdere informazioni importanti. La figura 6 è un
grafico che rappresenta differenti raggi di footprint per un antenna di
frequenza di centro banda di 300 MHz al variare della RDP. Come si
può vedere da questo grafico, le dimensioni del footprint aumentano
con la profondità e al diminuire della RDP. Il fascio tende a focalizzarsi man mano che la RDP aumenta. Perciò quando conduciamo un
rilievo in aree con alta RDP, i profili dovrebbero essere più vicini al
fine di permettere al fascio di “illuminare” tutti gli oggetti di interesse.
Fig.6: Raggio approssimato del “footprint” al variare della profondità e della
permettività dielettrica relativa del materiale per un antenna da 300 MHz.
Il metodo GPR
39
VINCOLI SULLA FREQUENZA DELL’ANTENNA
Fig.7: Onda idealizzata dell’impulso radar trasmesso e distribuzione della
frequenza di un antenna da 500 MHz. La figura in alto è l’impulso idealizzato
così come esso è trasmesso nel terreno sul tempo. La figura in basso è la distribuzione calcolata della frequenza di quell’impulso, con una calcolata frequenza di 516 MHz. (Modificato da Powers e Olhoeft, 1995)
Una delle decisioni più importanti in un rilievo GPR è la scelta
dell’antenna con la corretta frequenza operativa necessaria per la pro-
40
Capitolo II
fondità di penetrazione e la risoluzione dei lineamenti di interesse
(Huggenberger et al. 1994; Smith and Jol 1995).
La distribuzione di frequenza non è una curva a campana intorno a
un valore medio, ma una distribuzione asimmetrica intorno alla frequenza dominante, in questo caso non effettivamente 500 ma 516
MHz. La figura 8 mostra l’effettiva distribuzione di frequenza derivante da un impulso radar generato da un antenna a 500 MHz.
Fig.8: Impulso realmente trasmesso e distribuzione della frequenza sempre
per un antenna da 500 MHz. L’ampia larghezza di banda dell’antenna genera
frequenze da 200 a 850 MHz, con molti picchi, e una frequenza centrale di
505 MHz (gentile concessione di Mike Powers)
Il metodo GPR
41
L’impulso registrato è “rumoroso”, a 2 ns inizia un forte impulso,
seguito dal ringing dell’antenna e dal rumore del sistema dopo circa 6
ns.
La distribuzione di frequenza di questo test varia tra 200 e circa
800 MHz, con molti picchi. Queste variazioni nella frequenza dominante possono essere causate da irregolarità della superficie
dell’antenna o altri componenti elettronici collocati all’interno del sistema antenna. Questi tipi di variazioni sono comuni in tutte le antenne, e ognuna ha le sue proprie irregolarità che producono differenti
impulsi e differenti frequenze dominanti. Ricordiamo che anche se un
antenna è identificata da una certa frequenza di centro banda non necessariamente essa produrrà energia radar centrata esattamente su
quella frequenza. Si consiglia di eseguire un test della distribuzione
della frequenza prima di acquisire i dati.
Questa già confusa situazione sulle frequenze dell'impulso trasmesso si complica ulteriormente quando l’energia radar si propaga
nel sottosuolo. Quando le onde radar attraversano il mezzo, la frequenza di centro banda si sposta sistematicamente al disotto della frequenza dominante (Engheta et al. 1982). La nuova frequenza di propagazione varierà in modo dipendente dalle proprietà elettriche del
mezzo che influiscono sulla velocità di propagazione e sulla quantità
dell’energia, che si propaga, nel terreno. Per molti rilievi archeologici,
è importante essere consapevoli che c’è un effetto di spostamento della frequenza radar dominante il che influisce sui calcoli del lobo di
trasmissione nel sottosuolo, della profondità di penetrazione, della risoluzione e di altri parametri. La selezione di un antenna con la frequenza di centro banda appropriata, in molti casi, può fare la differenza tra il successo o il fallimento di un rilievo GPR. In generale, più è
grande la profondità necessaria per l’investigazione, più è bassa la
frequenza dell’antenna che dovrebbe essere adoperata. Più è bassa la
frequenza più le antenne sono larghe, pesanti, difficili da trasportare.
Un modello di antenna da 80 MHz usato per l’acquisizione di profili
GPR in continuo è più larga di 55 galloni (208 litri circa) di olio in
una latta tagliata longitudinalmente e pesa tra 125 e 150 libbre (56-68
kg circa) (figura 9). Essa non è solo difficile da trasportare in/e dalla
campagna, ma generalmente deve essere mossa lungo profili allineati
usando un veicolo a ruote o una slitta. In contrapposizione, un’antenna
da 900 MHz è più piccola di una busta della spesa (figura 9). Alcune
antenne a bassa frequenza usate per acquisire i dati per punti non sono
42
Capitolo II
pesanti come quelle utilizzate per i profili in continuo, ma sono ugualmente ingombranti.
Fig. 9: Antenne GPR di diversa frequenza. Dal basso verso l’alto le frequenze
sono: 900, 500, 100 e 80 MHz.
Il metodo GPR
43
Le antenne a bassa frequenza (10 – 120 MHz) generano energia
radar a grande lunghezza d’onda che può penetrare fino a 50 m in
condizioni favorevoli, ma la risoluzione è bassa. Nel ghiaccio puro, le
antenne di questa frequenza trasmettono energia radar per molti chilometri. Al contrario, la massima profondità di penetrazione di un antenna da 900 MHz è circa un metro o meno in terreni tipici, ma genera
riflessioni che possono risolvere strati di pochi centimetri. Esiste
quindi una sorta di relazione inversa tra la profondità di penetrazione e
la risoluzione. La lunghezza d'onda dominante per differenti antenne
con differenti frequenze di centro banda e la variazione della lunghezza d’onda quando attraversa materiali con differente RDP è mostrata
nella tabella 2.
Tab. 2: Lunghezza d’onda (O) e frequenza di centro banda (f) per diverse antenne radar al variare della permettività dielettrica relativa (RDP).
O (m)
O (m)
O (m)
O (m)
RDP= 1
RDP = 5
RDP = 15
RDP =25
1000
0,30
0,13
0,08
0,06
900
0,33
0,15
0,09
0,07
500
0,60
0,27
0,15
0,12
300
1,00
0,45
0,26
0,20
120
2,50
1,12
0,65
0,50
100
3,00
1,34
0,77
0,60
80
3,75
1,68
0,97
0,75
40
7,50
3,35
1,94
1,50
32
9,38
4,19
2,42
1,88
20
15,00
6,71
3,87
3,00
10
30,00
13,42
7,75
6,00
f (MHz)
44
Capitolo II
La profondità di penetrazione e la risoluzione sono effettivamente
altamente variabili e dipendono da molti fattori specifici del sito come
la composizione del terreno di copertura, la porosità e la quantità di
umidità trattenuta, così i valori mostrati in tabella 2 sono solo indicativi.
Alcuni fattori importanti che devono essere considerati nella scelta
dell’antenna sono:
-proprietà elettriche e magnetiche del sito in cui verranno effettuati
i rilievi;
-profondità di indagine;
-dimensioni dell’oggetto archeologico che deve essere individuato;
-accesso al sito;
-presenza di possibile interferenza elettrica esterna della stessa
lunghezza d’onda delle onde radar che si propagano nel terreno.
A frequenze più alte, generalmente più grandi di 1500 MHz, alcuni
materiali geologici, contenenti acqua, esibiranno una più alta attenuazione del segnale dovuta all’energia persa dal rilassamento molecolare
(Annan and Cosway 1994; Olhoeft 1994a). Questa non è una condizione che generalmente influisce su molti rilievi GPR perché le antenne comunemente usate hanno frequenze più basse di questa. Se è presente un largo contenuto di argilla, specialmente se bagnata, allora
l’attenuazione dell’energia radar con la profondità sarà più rapida
(Doolittle and Miller 1992; Duke 1990; Keller 1988; Shih and Doolittle 1984). L’attenuazione è notevole se i sedimenti o il terreno sono
saturi di acqua salata, specialmente acqua di mare (Van Heteren et al.
1994). L’abilità di risolvere corpi sepolti è principalmente determinata
dalla frequenza e perciò dalla lunghezza d’onda dell’energia radar trasmessa nel terreno. La risoluzione di una sola superficie piana sepolta
necessita di una sola distinta riflessione, e perciò la lunghezza d’onda
non è molto importante. Un antenna da 80 MHz genera un onda elettromagnetica di circa 3.75 m in lunghezza quando trasmette in aria
(tabella 2). La lunghezza d’onda in aria divisa per la radice della RDP
del materiale in cui l'onda si propaga fornisce una stima della lunghezza d’onda nel sottosuolo. Per esempio quando un onda a 80 MHz
attraversa un materiale con RDP pari a 5, la sua lunghezza d’onda decresce a circa 1.7 m (tabella 2). Al fine di distinguere due riflessioni
provenienti da due piani paralleli (il top e il bottom di un oggetto sepolto, per esempio) questi devono essere separati da almeno una distanza pari ad una lunghezza d’onda dell’energia radar che si propaga
nel terreno (Davis and Annan 1989). Se le due riflessioni non sono se-
Il metodo GPR
45
parate da una lunghezza d’onda, le onde riflesse risultanti dal top e
bottom non saranno riconoscibili a causa dell’interferenza distruttiva,
come illustrato in figura 10.
Fig.10: Risoluzione del top e bottom di un interfaccia a differenti frequenze.
Alle alte frequenze le onde definiscono sia il top (A) che il bottom (B)
dell’interfaccia. L’onda risultante da queste riflessioni (C) può risolvere entrambe le interfaccia perché la distanza tra le due ('d) è più grande della lunghezza d’onda. L’onda di frequenza media (D) definisce sia top che bottom
dell’interfaccia (E), e l’onda risultante (F) può definire appena entrambe le
interfacce perché la lunghezza d’onda è prossima a 'd. La bassa frequenza
definisce il top dell’interfaccia (G), ma a causa del fatto che la separazione
tra le due interfaccia è minore della lunghezza d’onda (H), l’onda risultante
(I) è data dall’interferenza tra due onde e solo il top dell’interfaccia viene risolto.
Quando due interfacce sono separate da una distanza maggiore di
una lunghezza d’onda, si generano due riflessioni distinte, e l’oggetto
può essere risolto. Per una superficie piana sepolta non ci sono problemi di lunghezza d’onda. I problemi nascono quando la superficie è
altamente irregolare o ondulata. Se si utilizzano onde radar a grande
lunghezza d’onda, le riflessioni da superfici sepolte appaiono generalmente molto smussate, perciò irregolarità della superficie sepolta,
46
Capitolo II
più piccole di una lunghezza d'onda, non sono visibili. Il lobo di radiazione di un antenna da 80 MHz è circa tre volte più largo di quello di
un antenna da 300 MHz (Annan and Cosway 1992).
Fig.11: Risoluzione di una superficie piana sepolta a due differenti frequenze.
(A): Il lineamento della superficie topografica (f) è visibile come minor cambio in pendenza. (B): Lo stesso lineamento (f) meglio risolto con una frequenza più alta (300 MHz). Questi profili raffigurano l’antica superficie di
calpestio (TBJ) al sito Ceren in EL Salvador.
Il metodo GPR
47
Quindi con una antenna da 80 MHz avremo una rappresentazione
meno accurata della superficie sepolta. Al contrario essendo il lobo di
un antenna da 300 MHz tre volte più stretto di quello di una da 80
MHz la risoluzione della stessa superficie è più alta (figura 11).
La quantità di energia riflessa da un corpo sepolto dipende dal rapporto tra le dimensioni dell’oggetto e la lunghezza d’onda dell’onda
radar che si propaga nel sottosuolo. Piccole lunghezze d’onda (alta
frequenza) sono capaci di risolvere piccoli lineamenti ma non penetreranno a grande profondità. Viceversa grandi lunghezza d’onda (bassa
frequenza) implicano bassa risoluzione e alta penetrazione. Alcuni lineamenti nel sottosuolo possono essere descritti come “punti bersaglio”, mentre altri sono più simili a superfici piane. Le superfici piane
possono essere associate alla stratigrafia o a larghi lineamenti archeologici piani, come il pavimento di una casa. I punti bersaglio sono
tunnel, vuoti, manufatti nascosti, o altri oggetti non piani. Punti sorgente possono avere piccole superfici che riflettono l’energia radar il
che rende generalmente difficile la loro individuazione. Essi sono
qualche volta indistinguibili dal materiale circostante, ma a volte appaiono come piccole iperboli di riflessione lungo un profilo. Punti
bersagli possono qualche volta essere individuati con l’utilizzo di antenne ad alta frequenza, sempre che essi non siano sepolti a grande
profondità. In molte situazioni geologiche o archeologiche, i materiali
attraversati dalle onde radar possono contenere piccole discontinuità
che riflettono energia. Queste riflessioni costituiscono un disturbo (se
esse non sono l'obiettivo del rilievo). Se entrambi, gli oggetti sepolti
che devono essere individuati e le discontinuità presenti nel materiale
sono dell’ordine di una lunghezza d’onda, non sarà possibile nessuna
discriminazione tra i due. Il disturbo può anche essere prodotto da
ciottoli e blocchi di roccia rotondeggianti di notevoli dimensioni se
viene utilizzata una antenna a bassa frequenza che produce una grande
lunghezza d’onda. Molto spesso, se il bersaglio è largo ma non è una
superficie piana estesa, la lunghezza d’onda dell’energia radar trasmessa dovrebbe essere più grande delle dimensioni massime del potenziale disturbo circostante per poterlo individuare. Gli oggetti sepolti non possono essere troppo piccoli in relazione alla loro profondità di
sepoltura altrimenti saranno indistinguibili. Indicativamente, l’area
della sezione trasversale del bersaglio che deve essere “illuminato”
dovrebbe avere approssimativamente dimensioni simili al footprint
alla profondità del bersaglio stesso (equazione 3 in figura 4). Se il ber-
48
Capitolo II
saglio è più piccolo delle dimensioni del footprint, allora solo una frazione dell’energia riflessa proverrà dal bersaglio (figura 5), tali riflessioni potrebbero essere indistinguibili dalle riflessioni di background
ed invisibili su un profilo. Piccoli bersagli di questo tipo possono, tuttavia, ancora essere scoperti ma solo dopo un trattamento dei dati con
le tecniche che verranno discusse nel capitolo VIII. Per determinare se
una antenna riuscirà a risolvere un bersaglio di ampiezza e profondità
note dobbiamo effettuare alcuni calcoli utilizzando l’equazione 3, è
chiaro che deve essere conosciuta anche la RDP. La selezione
dell’antenna dipende anche dall’estensione logistica dell’area di indagine. Le dimensioni delle antenne a dipolo variano in funzione della
frequenza di centro banda. Un antenna da 10 MHz è lunga 15 m circa,
un antenna da 100 MHz 1.5 m e un antenna da 1000 MHz solo 15 cm.
E’ necessario tenere conto di tutto questo nella progettazione di un rilievo. Il GPR utilizza energia elettromagnetica a frequenze che sono
simili a quelle usate in televisione, nelle radio FM, e altre bande radio.
Se c’è una trasmittente radio attiva nelle vicinanze del rilievo, allora ci
possono essere interferenze con il segnale registrato. Molte trasmittenti radio emettono in una stretta banda di frequenze ma l’ampia larghezza di banda di molti sistemi GPR rende impossibile evitare effetti
di interferenza. Generalmente il problema si presenta quando il sito è
vicino a basi militari o aeroporti, o vicino ad antenne di trasmissione
radio. Bisognerebbe evitare anche l’uso di walkie – talkies. Questo tipo di rumore radio può anche essere eliminato con un trattamento successivo dei dati. In conclusione dovrebbero essere presi in considerazione i seguenti punti prima di selezionare un antenna:
-ottenere le massime informazioni possibili circa le proprietà elettriche e magnetiche del sito. Se queste non possono essere determinate
da misure dirette in campagna, il tipo di terreno e materiali geologici
dovrebbero essere noti in anticipo per stimare la RDP;
-definire profondità e risoluzione necessarie per mettere in evidenza l’obiettivo archeologico di interesse. Usando il valore stimato della
RDP, il cono di trasmissione può essere calcolato (equazione 3) e può
essere stimata una potenziale risoluzione dalle dimensioni del footprint a differenti frequenze;
-decidere se è possibile adoperare l’antenna selezionata nel sito
dove verrà effettuato il rilievo. Trasportabilità al e dal sito, rimozione
ed aggiramento di ostacoli e ostruzioni devono essere presi in considerazione;
Il metodo GPR
49
-se si sa che c’è una quantità sostanziale di interferenze radio nel
sito, e se la sorgente può essere identificata, allora deve essere scelta
l’antenna più appropriata per ridurre queste interferenze. Nel fare questo non si deve perdere di vista l’obiettivo del rilievo.
EFFETTI DI FOCALIZZAZIONE E SCATTERING
Superfici sepolte che contengono creste o fossi possono focalizzare o scatterare l’energia radar in modo dipendente dalla loro orientazione e dalla posizione dell’antenna sulla superficie del terreno. Se
una superficie del sottosuolo piana è inclinata o convessa verso l’alto,
molta energia sarà riflessa lontano dall’antenna perciò saranno registrate riflessioni di ampiezza molto bassa (figura 12).
Questo è chiamato scattering radar. L’opposto si verifica quando la
superficie sepolta è concava. In questo caso l’energia riflessa sarà focalizzata e quindi saranno registrate riflessioni di grande ampiezza.
La figura 12 illustra un esempio archeologico degli effetti di focalizzazione e scattering quando una sottile fossa sepolta è limitata da un
lato da una sacca e dall’altro lato da una collinetta. Entrambe le superfici convesse e concave saranno “illuminate” dal raggio radar man
mano che l’antenna è trascinata lungo la superficie del terreno. Quando l’antenna radar è collocata a sinistra della fossa profonda, alcune
riflessioni saranno intercettate dall’antenna, c’è tuttavia un po’ di
scattering e quindi saranno registrate deboli riflessioni. Quando essa è
collocata direttamente sulla sacca profonda, ci sarà un alto grado di
scattering e molta dell’energia radar, specialmente quella che è riflessa
dai lati della fossa, sarà diretta lontano dalla superficie dell’antenna.
Questo effetto di scattering renderà la sottile fossa invisibile nei rilievi
GPR. Quando l’antenna è collocata direttamente sulla sacca più ampia a destra del fosso ci sarà focalizzazione dell’energia radar e le riflessioni provenienti da questa porzione di interfaccia avranno grande
ampiezza.
ATTENUAZIONE DEL SEGNALE
L’attenuazione del segnale radar con la profondità è influenzata
dalla RDP, dalla conduttività elettrica e dalla permeabilità magnetica
del materiale in cui l’energia radar si propaga (Doolittle and Miller
1991; Duke 1990; Shih and Doolittle 1984). L’attenuazione di energia
elettromagnetica aumenta man mano che il contenuto d’acqua nel
50
Capitolo II
Fig.12: Diagramma che illustra lo scattering e la focalizzazione a differenti
collocazioni dell’antenna. Quando l’antenna è collocata su una superficie
convessa verso l’alto (A) si ha scattering minore. Quando è collocata in corrispondenza di una buca stretta (B) si ha un alto grado di scattering perché le
onde radar sono riflesse molte volte dentro la fossa e sono poi scatterate lontano dalla superficie dell’antenna. Quando l’antenna è collocata su una superficie concava (C), si ha la focalizzazione perché le onde radar, che sono trasmesse dalla superficie in un cono, sono riflesse indietro alla superficie in un
percorso più focalizzato.
Il metodo GPR
51
terreno aumenta e varia anche con la quantità e tipo di sali presenti nel
mezzo. Un alto grado di attenuazione del segnale può anche essere
causato da elevate concentrazioni di carbonati dissolti nei terreni superficiali(Batey 1987). Nelle condizioni più sfavorevoli di terreni umidi, calcarei o ricchi di argilla, la massima profondità di penetrazione
può essere meno di un metro, indipendentemente della frequenza utilizzata.
Generalmente materiali con bassa conduttività elettrica (alta resistività) permettono una migliore propagazione dell’onda elettromagnetica
e hanno una RDP bassa. Materiali che hanno un alta conduttività elettrica (e perciò un alta RDP), come le argille sature, impediscono la
propagazione dell’onda elettromagnetica; e l’energia radar è severamente attenuata con la profondità. L’attenuazione è causata
dall’assorbimento dovuto alla conduttività e allo spreading con
l’aumento della profondità (Balanis 1989).
EFFETTO DI CAMPO VICINO
L’energia irradiata dall’antenna genera un campo elettromagnetico
intorno all’antenna in un raggio di circa 1.5 volte la lunghezza d’onda
della frequenza di centro banda ( Balanis 1989; Engheta et al. 1982;
Sheriff 1984). Per le antenne di 10, 100 e 1000 MHz, questo effetto è
approssimativamente 30 m, 3 m, 30 cm rispettivamente.
Si può dire che il terreno entro circa 1.5 volte la lunghezza d’onda
di una antenna standard a dipolo è parte dell’antenna. Questa zona di
campo vicino è generalmente visibile nei profili GPR come area di
poche o nessuna riflessione (figura 13), qualche volta chiamata zona
di interferenza vicina alla superficie (Fisher et al. 1992). Se sono usate
antenne a bassa frequenza, la zona di campo vicino dove non si hanno
riflessioni può essere tra 2.5 e 5 m della superficie. Se i lineamenti di
interesse sono collocati in questa zona, è improbabile che essi saranno
visibili nei profili GPR e dovrebbe essere usata un antenna di frequenza più elevata. A causa dell’ampia larghezza di banda degli impulsi
radar, una frazione di energia ad alta frequenza (piccola lunghezza
d’onda) sarà generata anche dall’antenna a bassa frequenza. Questa si
accoppierà col terreno a una profondità minore e questo consente di
generare qualche riflessione.
52
Capitolo II
Fig.13: La zona di campo vicino su un profilo acquisito con antenna di 80
MHz. La zona di campo vicino è circa 3 m in profondità. La riflessione di
alta ampiezza (A) è ancora visibile dentro questa zona, sebbene con ampiezza
minore.
Se la riflessione ha una ampiezza sufficientemente elevata apparirà
come una debole riflessione nella zona di campo vicino (figura 13).
Altre possono non essere evidenti nei profili standard bidimensionali,
ma possono essere individuate dopo l’elaborazione dei dati al computer per produrre mappe di anomalie di ampiezza (slice), che sono discusse nel capitolo 8.
CAPITOLO III
EQUIPAGGIAMENTO GPR E RACCOLTA DEI DATI
DESCRIZIONE DELL’EQUIPAGGIAMENTO GPR
Ci sono numerose case costruttrici di unità GPR. Le antenne più
comunemente usate nel Nord America sono prodotte dalla GSSI. Ci
sono anche compagnie Europee e Giapponesi che producono sistemi
GPR adoperati per rilievi archeologici. Molti sistemi GPR, costruiti
per usi generali, utilizzano energia radar impulsiva con una assegnata
frequenza centrale. Altri sistemi GPR utilizzano una nuova tecnologia
che permette di focalizzare un sottile fascio radar, di frequenza variabile, nel terreno. Questa tecnica, (Noon et al. 1994) non ha applicazioni archeologiche e non verrà presa in considerazione in questo libro.
Le antenne della GSSI e di molti altri costruttori sono generalmente
trascinate sul terreno e registrano i dati in continuo lungo i profili.
Come si è già detto l’acquisizione può anche avvenire per punti, con
la registrazione dei dati a specifici intervalli lungo i profili di una griglia. I sistemi standard GPR sono costituiti da quattro elementi principali, unità di controllo, unità di trasmissione, unità di ricezione e unità
di visualizzazione. L’unità di controllo GPR produce un impulso elettrico ad alto voltaggio che viene inviato, via cavo, alla trasmittente che
amplifica il voltaggio e forma l’impulso che è poi emesso
dall’antenna. I cavi vengono costruiti adoperando due tipi di materiali:
fili coassiali di rame e fibre ottiche. I cavi in fibra ottica, che trasmettono un segnale digitale a/e dalle antenne, riducono notevolmente il
rumore, legato all’equipaggiamento, che può alterare il segnale puro
(Davis and Annan 1989). Un’antenna standard a dipolo consiste di
una sottile lamina di rame a forma di arco annodato che irradia impulsi elettromagnetici nel terreno (Kraus 1950). L’energia (misurata in
volt) è applicata in impulsi al centro dell’arco. La corrente elettrica
applicata viaggia avanti e indietro dal centro dell’antenna ai lati della
lamina di rame creando un campo elettromagnetico. Questa energia
radar è poi irradiata dal centro dell’antenna verso il basso dove avviene l'accoppiamento con il terreno. Il voltaggio fornito all’antenna può
qualche volta essere regolato per produrre un impulso di energia più
53
54
Capitolo III
grande o più piccola, ma in molte unità l’energia erogata all’antenna è
regolata automaticamente, in base alle dimensioni e alla frequenza
dell’antenna, da componenti elettrici collocati dentro la custodia
dell’antenna. Un voltaggio troppo alto trasmesso all’antenna potrebbe
sovraccaricare le resistenze collocate alle sue estremità e causare
l’entrata in risonanza della lamina di rame; ciò provocherebbe una
amplificazione del rumore del sistema compromettendo seriamente la
capacità dell’antenna ricevente di registrare riflessioni importanti dal
sottosuolo. Il ringing si può verificare se due antenne a bassa frequenza (una trasmittente e una ricevente) sono troppo vicine (Stenberg and
Mc Gill 1995). Alcuni sistemi digitalizzano il segnale direttamente
nell’antenna ricevente prima che esso sia trasmesso all’unità di controllo lungo un cavo a fibra ottica (Annan and Davis 1992). Il segnale
ricevuto è poi registrato digitalmente su un computer. Se viene usato
un vecchio sistema analogico GPR, le onde ricevute, costituite da piccole variazioni di tensione intorno a un punto medio, possono essere
registrate su un nastro magnetico nell’unità di controllo per la successiva digitalizzazione. Se viene usata una singola antenna come ricevente e trasmittente, viene utilizzato un interruttore per far passare
l’antenna da “sending (trasmissione) mode” a “receiving (ricezione)
mode”. L’uso della singola antenna si rende necessario quando si usano antenne a basse frequenze in quanto le grandi dimensioni delle antenne rendono difficoltose le operazioni di misura. La coppia di antenne trasmittente e ricevente può essere trascinata lungo un profilo,
acquisendo in continuo, o spostata per punti. Se le due antenne sono
spostate per punti, le riflessioni sono registrate a intervalli regolari
lungo un tracciato. Con antenne di frequenza inferiore a 80 MHz, i dati devono generalmente essere acquisiti per punti a causa delle grandi
dimensioni e le derivanti difficoltà di trasporto per una registrazione in
continuo. Generalmente le antenne sono appoggiate direttamente sulla
superficie del terreno, ma se esse sono sospese al disopra della superficie del terreno è importante che siano collocate ad una distanza che
non superi una lunghezza d’onda al fine di incrementare la penetrazione dell’energia radar (vedi tabella 2). La migliore posizione
dell’antenna è entro una distanza di circa 1/4 di una lunghezza d’onda
dal terreno. Entro questa distanza, il segnale radar trasmesso si accoppierà col terreno e ne risulterà una migliore trasmissione verso il
basso. Se le antenne sono collocate troppo al disopra del terreno,
l’accoppiamento con quest’ultimo può non esserci e la maggior parte
dell’energia radar trasmessa sarà riflessa indietro dalla prima interfac-
Equipaggiamento GPR e raccolta dei dati
55
cia incontrata, che è generalmente la superficie del terreno. Rimane
così una piccola quantità di energia che può penetrare nel terreno.
Questo stesso fenomeno si può verificare se l’antenna galleggia su un
lago di acqua ghiacciata, o se i dati sono acquisiti attraverso ghiaccio e
acqua. In questi ambienti ci sarà in generale una buona penetrazione
dell’energia, con una modesta attenuazione del segnale, attraverso la
colonna d’acqua, ma la maggior parte dell’energia può essere riflessa
dall’interfaccia acqua – sedimento. Poca energia penetrerà al disotto
della colonna d’acqua nel sedimento, la maggior parte sarà stata attenuata, dispersa nell’acqua o riflessa dal fondo del lago. Se è richiesta
una penetrazione significativa nel sedimento al di sotto del fondo del
lago, è necessario usare antenne a bassa frequenza al fine di trasmettere la massima energia radar al disotto della colonna d’acqua.
Molti sistemi possiedono un marker manuale per registrare la posizione dell’antenna in superficie lungo la linea del rilievo durante
l’acquisizione dei dati. Il marker può essere posizionato sull’antenna e
azionato manualmente dall’operatore o attaccato all’unità di controllo
e azionato da qualcuno al comando dell’operatore dell’antenna. Quando si usa il metodo di acquisizione per punti, la collocazione delle antenne sul terreno è predeterminata dalla spaziatura tra i punti, e non è
necessario un marker.
REGISTRAZIONE DEI DATI IN CAMPAGNA
I dati GPR (le riflessioni), ottenuti acquisendo in modo continuo,
sono registrati come una serie di onde discrete chiamate tracce. Ogni
traccia è costituita da un'insieme di riflessioni che hanno avuto origine
a differenti profondità all’interno del terreno. Sebbene la sorgente di
energia trasmessa può essere pensata come un distinto impulso radar,
questo non è tecnicamente corretto. Molti sistemi GPR trasmettono
impulsi radar a velocità estremamente alta, in un range tra 25000 e
50000 impulsi per secondo, e la digitalizzazione in molti sistemi non è
sufficientemente veloce per campionare i dati riflessi da ogni impulso
distinto. Il sistema di controllo radar usa perciò un metodo di campionamento incrementale che produce una traccia composta prendendo il
primo campione da una riflessione derivante dal primo impulso trasmesso, il secondo campione dal secondo impulso e così via fino alla
costruzione della traccia completa. Il digitalizzatore può prelevare 128
o più campioni, dallo stesso numero di impulsi consecutivi, per comporre la registrazione di una traccia completa. Sono ora utilizzabili di-
56
Capitolo III
gitalizzatori capaci di campionare in modo sufficientemente veloce da
registrare i dati riflessi da un impulso distinto, ma sono costosi e non
sono stati ancora incorporati in molte unità GPR commerciali.
Nell’acquisizione dei dati in continuo, se le antenne sono trascinate
alla velocità media di passeggio, il campionamento incrementale produrrà delle medie del segnale registrato al variare delle condizioni nel
sottosuolo. Questa procedura di media dovrebbe influire sui dati registrati solo se la geologia del sottosuolo è estremamente variabile e le
antenne sono mosse a una velocità relativamente alta. Il metodo di acquisizione dei dati per punti usa le stesse procedure generali. Nel setup
delle antenne per l’acquisizione col metodo per punti, c’è un beeper
che dopo aver acquisito i dati in una stazione suona e informa che è
possibile spostare l’antenna alla stazione successiva. Questo metodo
di acquisizione è più lento del metodo di acquisizione in continuo.
Al fine di creare sezioni trasversali del sottosuolo, tutte le tracce
registrate, non importa con quale metodo di acquisizione, sono visualizzate in un formato in cui il tempo doppio di viaggio delle onde riflesse è riportato sull’asse verticale e il numero di tracce sull’asse orizzontale. Le nuove tecniche per l’analisi tridimensionale dei dati saranno discusse in seguito. Nei profili standard bidimensionali di dati
grezzi, acquisiti in continuo, la scala orizzontale è variabile a causa
delle variazioni della velocità di trascinamento dell'antenna. La sola
scala orizzontale visibile nelle immagini dei dati grezzi è costituita
dalle linee verticali prodotte dai marker nei dati analogici (Shih and
Doolittle 1984) o dall'header delle tracce nei dati digitali. In modo dipendente dalla velocità di trascinamento dell'antenna, il numero di
tracce tra due marker dovrebbe variare, e la scala orizzontale di un
profilo in continuo dovrebbe essere altamente variabile. La scala orizzontale può essere corretta successivamente, adoperando appositi programmi sul computer, variando il numero di tracce tra i marker per
creare una scala orizzontale lineare. Nel metodo di acquisizione per
punti la scala orizzontale è fissata dalla distanza tra i vari punti di acquisizione e non è necessario alcun tipo di aggiustamento per il trattamento successivo dei dati. La scala verticale in tutti i profili GPR è
misurata in tempo doppio di viaggio, ma può essere convertita in profondità se è conosciuta la velocità di propagazione dell’energia radar
nel sottosuolo. Il trattamento successivo dei dati permette di aggiustare entrambe le scale. Sono possibili anche correzioni topografiche per
meglio mettere in evidenza gli andamenti irregolari delle superfici nel
sottosuolo. Per fare questo è necessario conoscere i dettagli topografi-
Equipaggiamento GPR e raccolta dei dati
57
ci, tale operazione è importante quando le irregolarità della superficie
sono prevalenti. Per esempio, le riflessioni derivanti da una interfaccia
piana sepolta, appaiono piane solo se la topografia è piana. In caso
contrario appaiono ondulate in quanto gli impulsi riflessi devono percorrere spessori diversi di terreno per riemergere in superficie.
ORIENTAZIONE DEI PROFILI IN SUPERFICIE
Molte applicazioni archeologiche necessitano di acquisizioni dei
dati in una griglia rettangolare (Doolittle and Miller 1991). Se la griglia è orientata a nord, allora le linee del rilievo (profili) possono essere acquisite in direzione nord-sud o est-ovest. La griglia dovrebbe essere progettata in modo da evitare gli ostacoli in superficie ed essere il
più uniforme possibile. Se sono presenti ostacoli in superficie può essere facilmente progettato un modello di griglia costituita da profili di
lunghezza differente per evitare gli ostacoli. Se sono presenti tubi sepolti, tunnel o cavi elettrici, e la loro posizione è nota, la griglia dovrebbe essere progettata in modo da evitarli. Quando questo non è
possibile, la loro posizione dovrebbe essere annotata in modo tale da
poterli discriminare da altre riflessioni importanti in fase di interpretazione dei dati. Una griglia rettangolare o rettilinea è preferibile ad altri
tipi di griglie in quanto questo facilita le successive elaborazioni dei
dati. Molti programmi sono impostati in modo da elaborare solo dati
disposti su griglie regolari. Con una griglia rettangolare i dati possono
essere trattati e interpretati velocemente. In aggiunta, ogni profilo
GPR in una griglia rettangolare può essere più prontamente confrontato con altri e le riflessioni possono essere correlate linea per linea da
un estremo all’altro della griglia. Non sempre è possibile realizzare
una griglia rettangolare o rettilinea quando si esegue un rilievo. In alcuni casi, le condizioni della superficie o il tempo limitato possono
rendere necessaria una acquisizione dati lungo una serie di profili non
paralleli che possono ancora costituire una buona copertura. Qualunque sia il tipo di griglia progettata, è necessario acquisire la posizione
dei punti estremi di ogni profilo della griglia, con tecniche standard di
rilevamento, in modo da poter collocare con precisione le riflessioni in
una successiva elaborazione 3D dei dati. Questa parte del processo di
acquisizione può qualche volta essere lunga e tediosa, ma è estremamente importante. Nel prossimo futuro sarà possibile adoperare un sistema di posizionamento globale (GPS) che è satellitare o con base su
terra per registrare la collocazione delle linee del rilievo automatica-
58
Capitolo III
mente. Con questo metodo, le coordinate esatte di ogni linea della griglia e la quota a cui è posta la superficie del terreno verrebbero registrate durante l’acquisizione come dati digitali su un canale separato.
Questa tecnologia è stata da poco applicata ai sistemi GPR (Czarnowski et al. 1996), per questo motivo vengono ancora adoperati metodi
di rilievo tradizionali (teodolite con cannocchiale e asta, o teodolite
laser). Quando la superficie del terreno è ondulata, non uniforme, o
con una certa pendenza, deve essere rilevata l’elevazione topografica
lungo ogni linea del rilievo così da poter correggere le riflessioni provenienti dal sottosuolo durante il trattamento dei dati (Sun and Young
1995). Se il terreno è uniformemente inclinato è sufficiente rilevare la
topografia in pochi punti lungo i profili. Può anche essere possibile
rilevare solo le quote ad ogni cambio di pendenza e poi farne un interpolazione. Quando le irregolarità della superficie sono numerose, tuttavia, il rilevamento della quota deve essere fatto in corrispondenza di
tutti i punti di intersezione delle linee della griglia.
Se vengono usate antenne non schermate che irradiano energia radar in tutte le direzioni, si possono registrare riflessioni dagli ostacoli
presenti in superficie insieme a quelle provenienti dal sottosuolo, così
la collocazione di ogni oggetto in superficie, che potrebbe riflettere
l’energia radar, deve essere rilevata. Alberi, rami di alberi, case, muri
di cinta e linee elettriche e/o telefoniche poste in alto devono essere
posizionate accuratamente sulla mappa di un rilievo così che quando i
dati riflessi sono elaborati queste riflessioni possono essere facilmente
individuate ed eliminate. Se c'è la necessità di determinare la collocazione delle anomalie nel sottosuolo velocemente, i profili possono essere interpretati man mano che le antenne vengono trascinate sul terreno in modo casuale. In questo caso si dovrebbe vagabondare nel sito
fino a quando non si individui l'anomalia. Una volta trovata si dovrebbe marcare il terreno in corrispondenza del punto dove essa si trova.
Questo è un modo estremamente semplice di condurre un rilievo GPR,
ma è pieno di inganni in molti contesti archeologici. Generalmente è
difficile identificare immediatamente le anomalie nei dati grezzi. Molte volte le riflessioni non appaiono sulla registrazione grafica o sullo
schermo del computer fino a che le antenne attraversano l’anomalia,
dopo se ne può stimare la posizione in superficie. In questo metodo di
acquisizione GPR, i lineamenti archeologici sepolti possono essere
posizionati velocemente fornendo all’operatore, in tempo reale, una
visualizzazione del sottosuolo. Questo approccio è stato usato ma il
consiglio è che esso non dovrebbe mai essere usato in sostituzione del
Equipaggiamento GPR e raccolta dei dati
59
metodo di acquisizione standard dei dati che prevede il rilievo in una
griglia rettangolare. Se la posizione in superficie non viene marcata
sulle registrazioni può essere estremamente difficile analizzare o elaborare i dati acquisiti in quanto non è stata documentata l’esatta posizione dei profili.
ACQUISIZIONE DEI DATI IN UN RILIEVO
Prima di condurre un rilievo GPR, è necessario determinare il modello di griglia ottimale, la spaziatura tra le linee e la frequenza dell'antenna da usare. Non avendo alcun tipo di informazione sulle proprietà elettriche del terreno è necessario stimarle come abbiamo detto
in precedenza (tabella 2). Se nella zona del rilievo o vicino ad essa sono presenti scavi o strade interrotte si possono effettuare test di velocità (si veda il capitolo VI), prima di registrare i dati, per essere sicuri di
selezionare la frequenza migliore per la profondità e le dimensioni del
bersaglio. Questi tipi di test possono richiedere molto tempo, ma sono
necessari per costruire mappe accurate di profondità. Per eseguire un
rilievo GPR sono necessarie tre persone (figura 2), sebbene teoricamente una persona dovrebbe essere sufficiente, dividendosi tra unità
di controllo, antenna e marcatura del rilievo. Una persona è generalmente assegnata al trascinamento delle antenne, in continuo o per punti, lungo i profili della griglia. Un'altra persona assegnata all'unità di
controllo fa partire e fermare la registrazione all'inizio e alla fine di
ogni profilo. Se i dati sono acquisiti in continuo, la persona assegnata
all'unità di controllo può anche attivare il tasto per la collocazione dei
marker su segnalazione della persona che trascina l'antenna. Nell'acquisizione per punti, la persona assegnata all'unità di controllo segnala
anche quando è il momento di spostare le antenne. Una terza persona
è generalmente necessaria per tenere il cavo lontano dall'antenna. Se
la griglia del rilievo è diversa dall'usuale modello rettangolare, allora
l'inizio e la fine di ogni linea del rilievo devono essere marcati con pali o bandiere. Le linee del tracciato possono poi essere marcate facilmente usando un nastro misuratore tirato tra i paletti o una fune marcata con l'appropriato intervallo di spaziatura della griglia. Alcuni operatori inoltre marcano con delle bandierine i punti di intersezione tra i
vari profili della griglia in modo da effettuare successivamente il rilievo topografico. Nell'acquisizione in continuo, una volta marcata vistosamente la linea del rilievo, le antenne vengono trascinate lungo tale
linea. Questo lavoro è il più difficile perché la persona che trascina
60
Capitolo III
l'antenna deve seguire la linea e deve premere il pulsante del marker
quando l'esatta metà della slitta che contiene l'antenna attraversa il
punto marcato. Le antenne dovrebbero sempre essere trascinate lungo
lo stesso lato di ogni linea. Questo introdurrà un errore sistematico
nella collocazione dei profili che potrà essere, se necessario, agevolmente corretto. Se le antenne sono trascinate da un autoveicolo è necessario che una persona cammini vicino l'antenna per azionare il
marker nei punti prefissati (figura 14). In alcuni casi all'antenna viene
agganciata una ruota che attiva il marker ad intervalli prefissati.
Fig.14: Antenna singola da 80 MHz trascinata. L’operatore al lato aziona il
pulsante marker (cortese concessione di Payson Sheets).
Se le antenne vengono spostate per punti, queste vengono posizionate direttamente sui punti prefissati. Uno o più persone sono ancora
necessarie per spostare le antenne da punto a punto lungo la linea del
profilo. Prima di acquisire i dati deve essere tutto annotato, distanza
tra le linee, numero del file che sta per essere registrato, gli ostacoli
che si incontrano (tipo e collocazione). Questo punto può non essere
compreso ma anche i più sofisticati computer possono perdere i dati e
solo quelli annotati a mano potranno aiutarci a ricostruire le procedure
utilizzate in campagna. Se vengono generate solo le copie su carta del-
Equipaggiamento GPR e raccolta dei dati
61
le linee, l’operatore dovrebbe scrivere tutte le informazioni pertinenti
ad ogni linea per evitare ogni confusione dopo. La collocazione approssimata di ogni ostacolo incontrato e di grandi alberi e altri oggetti
che potrebbero causare possibili riflessioni dell’energia radar devono
necessariamente essere documentati per ogni linea. Durante
l’acquisizione in continuo, l’operatore addetto al cavo deve fare in
modo di mantenere abbastanza cavo per evitare di fermare
l’acquisizione anzitempo. Se l’acquisizione viene interrotta a metà
profilo è generalmente consigliabile ripetere il profilo. Se questo non
può essere fatto bisogna riprendere l’acquisizione e in fase di elaborazione dei dati unire i due mezzi profili. Durante il movimento
dell’antenna sulla superficie del terreno una persona deve anche osservare se lungo il percorso dell’antenna ci sono ostacoli (tipo spuntoni) che possono interrompere il cammino dell’antenna. Questa persona
potrebbe anche aiutare a stendere una rotella metrica o una corda per il
rilievo prima di far partire l’acquisizione dei dati sulla linea successiva.
Per esperienza, durante entrambe le acquisizioni in continuo e per
punti, le linee vengono rilevate su un percorso tipo “avanti e indietro”,
che prevede di seguire una direzione su una linea e poi invertire la direzione sulla successiva. Questo percorso continua fino a che tutte le
linee parallele sono acquisite. Le linee perpendicolari possono essere
acquisite allo stesso modo. Se i dati riflessi vengono registrati digitalmente ci sono dei semplici programmi al computer che sono poi in
grado di orientare tutti i profili nello stesso verso.
SETTAGGIO DELL'EQUIPAGGIAMENTO E DEL SOFTWARE
Prima di eseguire un rilievo GPR è sempre necessario eseguire alcuni accorgimenti manuali (Kemerait 1994). Questi aggiustamenti dovrebbero generalmente essere effettuati solo dopo aver stimato o misurato accuratamente la velocità di propagazione dell’onda elettromagnetica nel materiale attraverso cui l’onda stessa si propaga. Anche la
profondità degli oggetti di interesse dovrebbe essere stimata in anticipo. Nelle più recenti unità GPR, alcuni aggiustamenti dell'equipaggiamento sono controllati automaticamente dal software di acquisizione, ma questi possono ancora essere modificati manualmente. In altri
modelli alcuni aggiustamenti devono essere fatti manualmente con interruttori o manopole collocate sull'unità di controllo.
62
Capitolo III
Informazione sull'header: Molte unità digitali GPR permettono di
memorizzare nell'header informazioni generali che possono essere inserite in ogni file registrato durante un rilievo. Queste informazioni
riguardano la frequenza dell'antenna, il nome del sito, il nome o numero della griglia ed altre informazioni o commenti pertinenti con il rilievo. Molti sistemi consentono l’inserimento di queste informazioni
all’inizio dell’acquisizione registrando solo i cambi nel numero della
linea o altri parametri all’interno della griglia durante il rilievo. Ogni
profilo di una griglia sarà generalmente salvato sul computer come un
file separato. E' buona norma annotare queste informazioni generali
anche su un blocco notes.
Parametri di setup: Dipendono dall'equipaggiamento e dal software
usato. Alcuni parametri di base devono essere impostati sul computer
prima di iniziare il lavoro. Ogni sistema GPR ha un modo diverso di
fare questo, ma tutti includono i seguenti parametri base.
Time window (finestra temporale): La "time window" è definita come
l'intervallo di tempo, misurato in nanosecondi (ns), in cui l'antenna ricevente percepirà e registrerà l'energia delle onde radar riflesse. La
time window è normalmente aperta un attimo prima della trasmissione
dell'impulso radar e chiusa dopo che tutte le riflessioni di un certo interesse sono registrate. Se la velocità del materiale e la profondità approssimata dell'oggetto da individuare sono noti, può essere stimato
l'intervallo di tempo necessario all'energia radar per essere riflessa dall'oggetto e tornare indietro. La time window dovrebbe generalmente
essere fissata in modo da ricevere riflessioni da una profondità superiore a quella stimata. A causa di improvvise variazioni di velocità nel
sottosuolo, le riflessioni di un certo interesse potrebbero richiedere un
tempo di viaggio più lungo di quello stimato; quindi se la timewindow non è sufficientemente lunga, esse non potranno essere registrate. E' anche possibile che gli oggetti di interesse siano coperti da
spessori variabili di terreno, anche in questo caso se la time-window
non è sufficientemente lunga le riflessioni non saranno registrate. E’
anche possibile che le riflessioni di interesse possono arrivare a profondità più alte, o essere coperte da uno spessore più grande di materiale lungo alcune porzioni delle linee acquisite, rendendo quindi necessario un incremento della finestra temporale.
Equipaggiamento GPR e raccolta dei dati
63
Samples per scan (numero di campioni per traccia): Una volta impostata la time-window sull'unità digitale, deve essere fissato il numero
di campioni per traccia (scan). Un campione è un valore digitale che
definisce una porzione dell'onda riflessa sulla traccia. Più elevato è il
numero di campioni digitali, più accurata è la forma dell'onda. Una
traccia, è costituita una serie di onde riflesse derivanti da un impulso
trasmesso o incrementalmente campionate da una serie continua di
impulsi molto vicini. Più lunga è la time window, più grande è il numero di campioni necessari per definire adeguatamente la traccia dell'onda riflessa. Su alcune unità c'è la possibilità di impostare un numero arbitrario di campioni per scan, ma generalmente viene selezionato
uno dei seguenti numeri:128, 256, 512, 1024, 2048. Generalmente più
elevato è il numero di campioni registrati migliore è la forma d'onda e
la risoluzione. Se i campioni registrati sono 512 per ogni traccia e la
time window è aperta per 512 ns, allora verrà digitalizzato un campione per ogni ns di tempo doppio di viaggio. Questo può essere più che
sufficiente per rappresentare una serie di riflessioni. Per esempio, se la
time window viene impostata a 1024 ns, allora verrà registrato un
campione ogni due ns di tempo doppio di viaggio, diminuendo così la
risoluzione dell'onda registrata. In questo caso, se la lunghezza d'onda
di una singola riflessione di interesse è dell'ordine di 2 ns, avremmo a
disposizione solo un campione digitale per definire l'onda il che non è
sufficiente a delinearla. Per ottenere una buona risoluzione degli oggetti di interesse, bisognerebbe aumentare il numero di campioni per
traccia, o diminuire la time-window. In molte applicazioni archeologiche, una time window di 100, 200 ns o meno è generalmente sufficiente per registrare riflessioni entro due, tre metri dalla superficie,
sempre tenendo conto della velocità di propagazione. Tuttavia 512
campioni per scan sono generalmente sufficienti a definire adeguatamente la traccia. La massima risoluzione che può essere ottenuta dipende anche dalla lunghezza d'onda delle onde che si propagano nel
terreno; La lunghezza d'onda è una funzione della frequenza dell'antenna e della velocità di propagazione (tabella 2). E' necessario considerare tutti questi fattori per fissare il numero di campioni per traccia.
Si possono effettuare delle prove sul sito, con le antenne fisse in un
punto, al fine di determinare l'intervallo ottimale di campionamento.
E' anche importante che la time-window non sia troppo grande. Più è
grande la time-window più campioni per traccia saranno necessari per
una buona risoluzione. Bisogna tenere conto anche della quantità di
memoria disponibile. Più è grande la time-window e il numero di
64
Capitolo III
campioni per traccia più aumenta l'occupazione di memoria sull'hard
disk.
Trace stacking e velocità di registrazione: Lo stacking delle tracce è
un metodo che riduce il rumore associato all'onda riflessa. La riduzione del rumore si ottiene mediando aritmeticamente più tracce consecutive e registrando la traccia media (Fisher et al. 1992; Grasmueck
1994; Maijala 1992). Questa operazione minimizza la presenza del cosiddetto rumore casuale tra le tracce riflesse lungo un profilo che può
essere causato dall'interferenza della trasmissione FM o da cavi, persone o oggetti che si muovono intorno e vicino all'antenna. Le vecchie
unità GPR non sono in grado di effettuare lo stacking durante l'acquisizione, esso può essere realizzato solo nel trattamento post acquisizione se i dati sono in forma digitale. I modelli più moderni permettono lo stacking di un qualsiasi numero di tracce (Davis and Annan
1989). E' importante ricordare che maggiore è il numero di tracce da
sommare più lentamente l'antenna deve essere trascinata lungo la superficie del terreno al fine di ottenere un buon campionamento orizzontale e una buona copertura del sottosuolo. Il processo di stacking
rimuove le riflessioni anomale che possono essere generate da irregolarità della superficie come piccole protuberanze o affossamenti della
superficie del terreno (Fisher et al. 1992; Grasmueck 1994; Maijala
1992). Esso filtra anche gli effetti di piccole variazioni di velocità dovuti a variazioni di saturazione d'acqua o alla presenza di piccole rocce o vuoti nel sottosuolo. Lo stacking è generalmente efficiente quando le antenne sono trascinate a bassa velocità (velocità di passeggio di
un uomo o meno). Lo stacking di 8 o più tracce consecutive può migliorare la qualità delle riflessioni dal sottosuolo e dare ancora una
buona copertura del sottosuolo. Per esempio, se sono misurate 80 tracce al secondo e lo stacking viene fatto ogni 8 tracce consecutive, allora verranno registrate 10 tracce al secondo. Se le antenne radar vengono trascinate alla velocità di 20 cm/s, sulla superficie del terreno, avremo una copertura di una traccia ogni 2 centimetri. Se viene applicato uno stack di 16 tracce (16 tracce consecutive sommate e mediate
in una) la copertura del sottosuolo sarebbe una traccia registrata ogni 4
cm. Lo stacking è anche usato quando vengono acquisiti i dati per
punti, mediando più tracce in corrispondenza di ogni punto di acquisizione.
Equipaggiamento GPR e raccolta dei dati
65
Velocità di trasmissione: I sistemi radar trasmettono tipicamente a
una velocità di più di 25000 impulsi al secondo. Con la tecnologia
GPR attualmente utilizzabile, è impossibile registrare ogni riflessione
individuale generata da ogni impulso trasmesso a causa della rapidità
con cui gli impulsi sono trasmessi e poi riflessi in superficie. Per superare questo problema, i sistemi radar campionano in modo incrementale. Se il sistema è impostato per lo stacking di 16 tracce consecutive e
per 512 campioni per traccia, allora è necessario trasmettere almeno
512x16=8192 impulsi per ogni traccia registrata. Una comprensione
della velocità di trasmissione e registrazione è importante per determinare la risoluzione orizzontale dei dati registrati. A seconda della
velocità di trascinamento dell'antenna, la velocità di trasmissione e lo
stacking devono essere impostati opportunamente in modo da ottenere
una buona copertura del sottosuolo. Per esempio, se è necessario registrare 4 tracce al secondo (con uno stacking di 16 tracce) allora ogni
secondo devono essere trasmessi 4x8192=32768 impulsi sequenziali.
Se il dispositivo radar adoperato è in grado di trasmettere solo 25000
impulsi per secondo, non sarà possibile la registrazione di 4 tracce al
secondo. Se il caso è questo, gli aggiustamenti possibili prima della
registrazione dei dati sono:
x lo stacking deve essere più basso;
x le antenne devono essere mosse lentamente sul terreno, per
consentire la registrazione di più tracce per secondo;
x la time window può essere più corta, in questo modo sono necessari meno campioni per definire una traccia;
x il numero di campioni necessari per definire una forma d'onda
può essere diminuito.
Se la time-window è abbastanza corta, lo stacking minimo e il
campionamento è impostato a 512 campioni per traccia o meno, gli
impulsi trasmessi nel terreno sono più che sufficienti per permettere la
registrazione delle tracce necessarie. Gli aggiustamenti discussi sopra
sono generalmente richiesti solo se le antenne vengono spostate ad alta velocità (cioè la velocità di un veicolo), il fattore di stacking è elevato (superiore a 16 tracce), oppure è necessaria una alta risoluzione
della forma d'onda (numero elevato di campioni per traccia) al fine di
definire le riflessioni dal sottosuolo. Molte unità GPR costruite recentemente trasmettono a velocità molto più alte di 25000 impulsi al secondo. Quando i dati vengono acquisiti per punti, il numero di impulsi
è più che sufficiente per permettere la registrazione di una traccia e la
66
Capitolo III
risoluzione orizzontale diventa una funzione della sola distanza tra i
punti.
Posizione del segnale: Prima di acquisire i dati, è sempre importante
assicurarsi che la prima riflessione ricevuta da ogni impulso sia collocata entro la time-window designata. Nei sistemi digitali con un monitor, la serie di impulsi e tutte le onde riflesse dal sottosuolo possono
essere visualizzate sul monitor stesso. I vecchissimi sistemi consentono la visualizzazione delle tracce su un oscilloscopio in modo simile.
La posizione del segnale è generalmente regolata mentre le antenne
vengono spostate lentamente sulla superficie del terreno e i dati radar
sono acquisiti in continuo. La time-window può anche essere aggiustata manualmente in modo tale che la prima onda (generalmente l'impulso generato dall'antenna trasmittente) sia collocata al tempo zero.
La prima onda non è in realtà a tempo zero perchè prende in considerazione una piccola quantità di tempo che è quello impiegato dall'impulso per viaggiare dall'antenna trasmittente a quella ricevente. Se le
antenne sono separate più di pochi cm allora deve essere fatto un calcolo per determinare il tempo che l'impulso radar dovrebbe impiegare
per viaggiare in aria tra le due (alla velocità della luce, che è la velocità dell'onda radar in aria, l'energia viaggia a circa 30 cm/ns). La posizione del segnale può anche essere aggiustata in modo tale che il time
lag creato dall'onda che si muove in aria tra le due antenne viene eliminato. Alcune delle più moderne unità GPR fissano automaticamente
la posizione del segnale durante il setup iniziale.
Range di amplificazione: A causa dello spreading conico dell'onda
radar trasmessa e dell'attenuazione dell'energia quando essa passa attraverso il terreno, gli ultimi arrivi in una traccia avranno quasi sempre
ampiezze più basse rispetto ai primi arrivi. Per recuperare queste ampiezze più basse, durante l'acquisizione viene applicata un amplificazione controllata (Maijala 1992; Shih and Doolittle 1984; Sternberg
and Mc Gill 1995) al fine di amplificare quelle onde ricevute da situazioni più profonde nel terreno. Il settaggio del gain in molti equipaggiamenti GPR è standard; essi sono aggiustati automaticamente sui
nuovi modelli o possono essere aggiustati manualmente in altri (Fisher
et al. 1994; GSSI 1987). C'è generalmente una relazione lineare o serie di relazioni lineari tra la quantità di gain applicato e il tempo a cui
esso è ricevuto, con valori di gain più alti applicati alle riflessioni registrate dopo. Il trattamento post acquisizione può anche essere usato
Equipaggiamento GPR e raccolta dei dati
67
per mettere in evidenza il segnale di alcuni arrivi si i gain applicati in
campagna non sono sufficienti. Diminuendo il gain per gli ultimi arrivi, l'ampiezza del rumore del sistema e altre interferenze random, come quelle della trasmissione FM, possono anche essere diminuite. Ci
possono anche essere variazioni nelle ampiezze trasversali delle riflessioni dovute alla differente attenuazione del segnale e cambi nell'accoppiamento antenna - terreno. La maggior parte di queste variazioni
possono essere lisciate durante il trattamento dei dati tramite l'applicazione di un gain automatico orizzontale (Fisher et al. 1994). Nei vecchi sistemi GPR una manopola posta sull'unità di controllo controlla il
gain. Una manopola controlla l'ampiezza delle riflessioni vicine in
tempo (vicino alla superficie) e l'altra le onde lontane in tempo. Da qui
le forme d'onda riflesse sono visibili su un oscilloscopio, l'aggiustamento può essere fatto a propria preferenza. E' bene non aggiustare il
gain durante l'acquisizione in modo tale che venga acquisito lo stesso
tipo di dati per tutti i profili dentro una griglia. Una volta che i gain
sono settati nel sistema digitale, essi rimangono costanti per l'intero
rilievo con il tipo di antenna scelto. Se i valori di gain cambiano per
un motivo qualsiasi, le riflessioni, relative allo stesso orizzonte, verranno visualizzate in modo diverso nei differenti profili acquisiti
all’interno della griglia, e i cambi in ampiezza delle riflessioni possono essere confusi con cambi litologici o archeologici di una certa importanza.
Anche se il gain viene modificato durante l’acquisizione è sempre
possibile normalizzare l’ampiezza delle riflessioni in fase di elaborazione.
Filtri applicati durante l'acquisizione dei dati: Una scuola di pensiero dice che tutti i dati dovrebbero essere registrati in campagna come
dati grezzi e che stacking o altri filtri dovrebbero essere applicati solo
durante il trattamento post acquisizione. In questo modo tutti i dati,
siano essi buoni o cattivi, vengono registrati. Inoltre, non conoscendo
a priori la distribuzione delle frequenze di ogni antenna trasmittente,
alcune riflessioni importanti possono essere generate a frequenze che
dovrebbero non intenzionalmente essere filtrate prima della registrazione. Se sono acquisiti dati non filtrati, i dati cattivi possono essere
sempre filtrati e migliorati durante il trattamento post acquisizione.
Un’altra scuola di pensiero dice che alcuni filtri sono necessari durante l’acquisizione in modo tale che i dati possano essere facilmente interpretati mentre si è ancora in campagna. In aggiunta c’è da dire che
68
Capitolo III
nei dati non filtrati potrebbe esserci rumore a bassa frequenza (alta
lunghezza d'onda) che influirà sui valori di gain che vengono applicati. Alcune unità GPR possono registrare i dati su due canali, e perciò
entrambe le riflessioni grezze e filtrate possono essere acquisite simultaneamente (Fenner 1992). Entrambi i set di dati possono poi essere
trattati in ufficio e comparati, prima di scegliere l'una o l'altra per l'interpretazione. I filtri verticali, chiamati anche filtri passa banda, sono
usati per rimuovere le anomalie ad alta e bassa frequenza durante la
registrazione (Buker et al. 1996; Fisher et al. 1994). I filtri passa alto
rimuovono la bassa frequenza dai dati, generalmente e approssimativamente sotto i 10 MHz, che può essere generata dal rumore del sistema inerente a ogni particolare dispositivo radar. Questi dati possono essere visti su un oscilloscopio o sul display di un computer come
tracce registrate ad alte lunghezze d'onda sovrapposte su un profilo di
riflessioni standard. La quantità di rumore a bassa frequenza cambierà
a seconda dell'antenna usata, la lunghezza del cavo, e il tipo di unità di
controllo ed è generalmente funzione del sistema GPR progettato. Le
anomalie ad alta frequenza presenti nei dati possono essere registrate
da trasmissioni radio FM o altri disturbi elettrici nelle vicinanze.
Quando l'antenna è stabile e le forme d'onda generate visibili sul
display, il rumore ad alta frequenza una (bassa lunghezza d'onda) è
visibile sotto forma di "tremolio". Un filtro passa basso può rimuovere
questo rumore, ma si deve stare attenti a non rimuovere quelle che
possono essere riflessioni reali. Alcuni dei nuovi modelli GPR fanno
questo automaticamente, se lo si desidera. E' importante notare che i
filtri verticali e orizzontali applicati in fase di acquisizione in campagna, assieme agli altri aggiustamenti come la time window, intervallo
di campionamento, velocità di trasmissione e gain devono essere possibilmente in seguito resettati. Questi aggiustamenti manuali fatti prima dell'acquisizione dei dati sono un processo iterativo, e un certo
numero di profili sperimentali dovrebbe essere fatto prima di acquisire
i dati. Se i dati acquisiti con il setup impostato sono buoni, il settaggio
deve rimanere fisso per tutta l'acquisizione. Il software incluso in molti sistemi digitali consente di fare automaticamente molti di questi aggiustamenti, tuttavia è sempre consigliabile controllare e visualizzare i
dati prima di procedere all’acquisizione dell’intera griglia.
CAPITOLO IV
TRATTAMENTO POST ACQUISIZIONE DEI DATI
I dati GPR, visualizzati direttamente dopo l'acquisizione, contengono generalmente quello che molti chiamano "rumore", "coda sonora
(reverberations)" o "interferenze (riflessioni estranee)" che, assieme
alla non corretta scala orizzontale, rendono difficile l'interpretazione.
Per eliminare il rumore e correggere le scale orizzontale e verticale dei
dati grezzi, è necessario che essi vengano trattati prima dell'interpretazione. Ci sono un gran numero di programmi utilizzabili per i dati
GPR. Molte tecniche di trattamento dei dati sono state prese a prestito
e modificate dalle industrie petrolifere che trattano i dati della sismica
a riflessione (Malagodi et al. 1996; Milligan and Atking 1993). La
procedura più semplice di trattamento prende le singole tracce e le
stampa in ordine sequenziale in modo tale che esse possano essere visualizzate come un profilo verticale bidimensionale dove in ascisse
viene riportata la distanza percorsa dall’antenna sulla superficie del
terreno e in ordinate i tempi doppi di viaggio delle onde radar riflesse
dal sottosuolo. Queste possono essere stampate nel formato "wiggle
trace", che mostra le singole tracce e la loro ampiezza, o in scala di
grigi dove le ampiezze delle riflessioni variano in toni di grigio. I profili possono essere esagerati nella direzione verticale o orizzontale per
enfatizzare certi aspetti legati alla stratigrafia o a corpi archeologici
sepolti. I profili standard in wiggle trace o in toni di grigio possono
anche essere modificati in modo tale che l'ampiezza relativa delle riflessioni sia assegnata a determinati colori. In questo modo le riflessioni significative, che possono rappresentare importanti interfacce nel
sottosuolo, sono prontamente visibili. Molte altre tecniche di trattamento, più complicate e che rimuovono porzioni delle riflessioni registrate al fine di mettere in evidenza altri aspetti, possono essere applicati ai profili standard bidimensionali. Alcune tecniche sofisticate tentano di collassare porzioni di alcune riflessioni al fine di trasformare
in bidimensionale quello che è realmente un complesso modello di riflessioni tridimensionali causate dall'ampio cono di trasmissione radar.
Come con tutte le tecniche di elaborazione al computer, le alterazioni
dei dati dovrebbero solo essere applicate per specifici motivi e non
possono essere garantite per tutto il set di dati. Uno dovrebbe anche
69
70
Capitolo IV
tentare di usare programmi di elaborazione “fuori dallo standard” senza capire l’implicazione di ogni tecnica di manipolazione dei dati.
FILTRI CHE RIMUOVONO IL BACKGROUND
I più comuni tipi di filtri che possono essere applicati a ogni set di
dati digitali riguardano la rimozione della banda orizzontale che appare in molte applicazioni GPR. Dovute al "ringing" di alcune antenne,
le bande orizzontali (figura 15) sono registrate su molti profili (Shih
and Doolittle 1984; Sternberg and Mc Gill 1995). Queste bande possono oscurare i dati riflessi che dovrebbero altrimenti essere visibili su
alcuni profili. Le bande orizzontali possono anche rappresentare riflessioni da oggetti, come le persone che tirano l'antenna, che si mantengono a distanza costante dall'antenna stessa. Molti programmi hanno l'abilità di rimuovere queste bande con un semplice processo aritmetico che somma tutte le ampiezze delle riflessioni registrate allo
stesso tempo lungo il profilo e divide per il numero delle tracce sommate.
L'onda risultante, che è una media di tutto il rumore di background,
è poi sottratta dal set di dati. Il profilo che si ottiene farà vedere solo
riflessioni non orizzontali, o le riflessioni orizzontali che sono corte in
lunghezza (figura 15).
Bisogna fare attenzione quando si applica questo filtro in aree dove
la stratigrafia del sottosuolo è orizzontale. Se il filtro viene usato in
questi casi molti, se non tutti, gli eventi riflessi importanti possono essere persi. Questo tipo di filtro rimuove tutte le riflessioni che si hanno
allo stesso tempo, lasciando solo quelle che sono più casuali. Queste
riflessioni casuali rappresentano generalmente riflessioni significative
archeologiche o geologiche nel sottosuolo, ma se sono state acquisite
poche tracce, su una distanza troppo piccola, la geologia e l'archeologia del sottosuolo possono non avere cambi sufficienti per creare riflessioni non orizzontali. La media coinvolta nel rimuovere il
background rimuoverebbe, assieme al rumore, la maggior parte di dati
che potrebbero essere importanti, lasciando dati con basse ampiezze di
riflessione che potrebbero non avere alcun significato.
I filtri che rimuovono il background sono anche molto utili in situazioni in cui la superficie di terreno, su cui viene realizzata la griglia
GPR, è costituita da suolo con diversi tipi di vegetazione. Per esempio
se i dati GPR vengono acquisiti su terreni adiacenti sui quali sono presenti diversi tipi di piante, il segnale riflesso ottenuto dall’acquisizione
Trattamento post-acquisizione dei dati
71
nei due terreni potrebbe variare. Profili ottenuti in terreni arati di recente potrebbero dare risultati considerevolmente diversi, relativamente all’ampiezza del segnale di background, rispetto a quelli ottenuti su
terreni appiattiti o incolti. In modo simile, ampiezze differenti per il
segnale di background, si possono avere tra profili che sono acquisiti
sullo stesso tipo di terreno su line parallele e perpendicolari. Quando
questo succede, certe porzioni dei dati riflessi possono mostrare differenze nei valori di ampiezza delle riflessioni stesse dovuto a un differente accoppiamento dell’antenna con il terreno causato da variazioni
all’interno della superficie dello stesso terreno. Applicando il filtro
che rimuove il background a tutti i profili acquisiti in una griglia,
l’ampiezza relativa delle riflessioni può qualche volta essere normalizzata tra aree diverse in un sito.
Altri tipi di filtri, più sofisticati, che rimuovono il background consentono di rimuovere dai dati solo alcune frequenze (Malagodi et al.
1996). Questo tipo di trattamento può rimuovere riflessioni estranee
che sono spesso riferite a confusione o rumore.
FILTRI F-K
Ci sono molte tecniche sperimentali di trattamento dei dati, originariamente sviluppate per il trattamento dei dati sismici dalle industrie
petrolifere, che sono state applicate ai dati GPR (Lehmann et al. 1996;
Maijala 1992; Milligan and Atkin 1993; Yu et al. 1996). Deve essere
fatta attenzione quando applichiamo queste tecniche perchè ci sono
alcune importanti differenze tra dati radar e sismici. Il filtraggio F-K è
una tecnica in cui le riflessioni registrate in termini di tempo sono trasformate in termini di frequenza attraverso l’utilizzo di complessi programmi aritmetici di trasformazione (Maijala 1992). L'esito di queste
tecniche è che le riflessioni a grande angolo (possibilmente anche iperboli di riflessione da punti sorgente), che possono oscurare importanti dati orizzontali, vengono rimosse. Questa tecnica di trattamento
di dati sismici è stata usata erroneamente su alcuni dati GPR e dovrebbe essere usata con cautela.
DECONVOLUZIONE
La deconvoluzione è un altra tecnica di trattamento dei dati sismici
che è stata applicata ai dati GPR (Fisher et al. 1994; La Fleche et al.
72
Capitolo IV
1991; Maijala 1992; Malagodi et al. 1996; Neves et al. 1996; Rees and
Glover 1992; Todoeschuck et al. 1992).
Fig.15: Profilo eseguito con antenna da 80 MHz. (A) Profilo originale; (B)
profilo elaborato con il background removal filter. I dati originali in (A) esibiscono bande orizzontali dovute al rumore del sistema e registrazioni di riflessioni di oggetti posti a distanza costante dall’antenna. L’immagine più in
basso mostra la stessa sezione dopo la rimozione delle bande orizzontali (B)
con il programma del background removal. (S) è la collocazione di una struttura sepolta al Ceren in EL Salvador. (R) è la riflessione da un punto sorgente
generata dal tetto di argilla di una struttura sepolta.
Trattamento post-acquisizione dei dati
73
E' basata sulla teoria che, quando un impulso radar è trasmesso nel
terreno, porzioni di onda elettromagnetica cambieranno forma (o convolgono).
L'obiettivo di questo filtro è quello di rimuovere la porzione delle
onde registrate che hanno cambiato forma durante la trasmissione. Il
trattamento di deconvoluzione ripristina le onde riflesse, in un profilo,
alla loro forma originale e presenta i dati con un diverso look. In questo modo la deconvoluzione può essere usata per identificare e risolvere alcune riflessioni che altrimenti sarebbero difficili da identificare.
Uno dei problemi con la deconvoluzione è che il ripristino delle onde
riflesse alla loro forma originale è principalmente una funzione di "educate ipotesi". E' difficile determinare qual'è la forma originale dell'onda, e alcuni processi di deconvoluzione possono modificare i dati
in modo irreale. Se il processo di deconvoluzione dei dati radar può
essere migliorato, esso può portare a capire come il terreno modifica
le onde elettromagnetiche trasmesse e aiutare nell'interpretazione dei
dati GPR. Molti tentativi di applicazione di questo filtro hanno di gran
lunga provato di essere insoddisfacenti (Maijala, 1992; Rees e Glover,
1992).
MIGRAZIONE
I sistemi GPR standard descrivono un immagine distorta della stratigrafia del sottosuolo causate dall'ampio raggio della propagazione
radar e dai cambi della velocità con la profondità. La migrazione è un
processo usato per eliminare alcune delle distorsioni causate dalla
procedura di raccolta dei dati (Fisher et al. 1992, 1994; Grasmueck
1994; Malagodi et al. 1996; Milligan and Atkin 1993; Young and Jingsheng 1994). Le distorsioni che sono causate dall'ampio raggio radar
generano riflessioni da punti sorgente che appaiono come iperboli. Il
processo di migrazione focalizzerà e collasserà le iperboli di riflessione fino a ridurle alle dimensioni del punto, posto nel sottosuolo, che le
ha generate. Ci sono alcuni programmi, utilizzati nel trattamento dei
dati sismici, che sono stati adattati ai dati GPR, ma rimane ancora difficile interpretare i dati radar come se fossero dati sismici (milligan
and Atkin 1993). Inoltre molte migrazioni di riflessioni dei dati sismici sono in due dimensioni, e i dati radar sono sempre acquisiti in tre
dimensioni. Esistono programmi di migrazione 3D dei dati sismici,
ma la loro applicazione può richiedere molto tempo e la loro applicabilità ai dati GPR rimane sconosciuta. In molti casi può essere utile
74
Capitolo IV
vedere i profili radar in un formato non migrato perché le iperboli dei
punti sorgente sono, il più delle volte, in grado di identificare anomalie che rappresentano lineamenti archeologici di interesse. Se tutte le
iperboli sono collassate può essere difficile riconoscere chi l'ha generate. Può anche essere vero l'opposto se riflessioni importanti vengono
generate nell'area dove sono registrate le iperboli dovute a punti sorgente. In questo caso far collassare tali iperboli permette alle riflessioni importanti di diventare visibili.
CAPITOLO V
MODELLI GPR SINTETICI
Uno degli aspetti più confusi del GPR per gli archeologi è che i
profili bidimensionali, prodotti muovendo l'antenna lungo un tracciato, non sempre vedono la stratigrafia o i lineamenti archeologici così
come sono realmente. Per esempio un piccolo tetto di una casa sepolta, in un profilo GPR, può apparire come un iperbole; una trincea può
apparire a forma di X. Per superare questo problema gli archeologi
hanno usato recentemente programmi che generano sezioni radar sintetiche, un modo per modellare oggetti, stratigrafie e importanti riflessioni da superfici in due dimensioni. Questo permette di capire, prima
di andare in campagna, se un rilievo GPR sarà in grado di delineare le
strutture di un certo interesse. Una volta costruito il modello, esso può
essere modificato velocemente, con ad esempio l’utilizzo di differenti
frequenze delle antenne, per determinare l'equipaggiamento più adatto. Le sezioni radar, simulate al computer, vengono generate ipotizzando il percorso teorico delle onde elettromagnetiche (trasmissione e
riflessione) all’interno di vari mezzi con specifiche RDP e conduttività
elettriche. Per generare il caso più reale possibile nel modello vengono
programmate sia la geometria bidimensionale della stratigrafia del sottosuolo che gli oggetti archeologici. Spesso succede che i profili GPR
trattati e stampati in due dimensioni hanno differenze significative rispetto alle strutture sepolte o altri lineamenti archeologici cercati. Esse
non sono belle immagini come quelle dei raggi X nella tecnologia
medica. Una delle ragioni è che le antenne GPR trasmettono energia
nel terreno in un ampio raggio; l'antenna perciò non trasmette direttamente al di sotto ma anche di fronte, indietro e ai lati. Per esempio,
quando l'antenna è ad una certa distanza da un oggetto sepolto, il tempo di viaggio per un onda che lascia l'antenna, colpisce l’oggetto viene riflessa e ritorna direttamente all'antenna, è più lungo del tempo
impiegato dall’onda quando l'antenna è direttamente sull'oggetto (figura 3). L'effetto risultante è quello di creare un iperbole di riflessione
sull'oggetto quando l'antenna si muove su esso (figura 16).
75
76
Capitolo V
Fig.16: Nella foto sopra è rappresentato un tunnel sepolto che venne rilevato
da un profilo radar (immagine in basso). Il tunnel è rappresentato da un iperbole di riflessione il cui apice denota il top del tunnel stesso (da Goodman e
Nishimura 1993). Il tunnel venne scoperto alla collina sepolta Kofun 111 nel
Parco di Saitobaru in Giappone.
Grandi rocce sepolte, sepolture, spazi vuoti, o altri lineamenti archeologici sepolti possono agire in modo simile a punti sorgente e genereranno spesso un modello di riflessione tipo iperbole. In modo di-
Modelli GPR sintetici
77
pendente dalle proprietà elettriche degli strati nel terreno, dalla frequenza dell'energia radar usata e dalla entità del cambio di velocità all'interfaccia con il punto sorgente, le iperboli di riflessione possono
variare drasticamente nella loro geometria. Le riflessioni da punti sorgente possono, molte volte, essere confuse con curvature verso l'alto
del materiale o alcuni altri cambi stratigrafici nel terreno di copertura
(e.g., Loker 1993). Usando i modelli sintetici di sezioni radar, i lineamenti archeologici e la stratigrafia circostante conosciuta possono essere costruiti in anticipo, e le loro origini possono essere facilmente
identificate e semplicemente interpretate. Altri motivi per i quali i profili GPR possono produrre forme diverse rispetto a quelle dei lineamenti che è necessario risolvere è il fenomeno delle riflessioni multiple. Le riflessioni multiple possono aversi nel terreno quando le onde
radar sono riflesse più di una volta sulla superficie di discontinuità
prima di essere registrate alla superficie. Generalmente la maggior
parte dell'energia radar, che è riflessa all'interfaccia tra due materiali, è
poi trasmessa direttamente indietro alla superficie e registrata all'antenna ricevente. Parte dell'energia riflessa, tuttavia, può essere nuovamente riflessa indietro nel sottosuolo all'interfaccia aria - suolo, e
nuovamente riflessa indietro alla superficie dalla stessa interfaccia sepolta prima della registrazione. Questo effetto di riflessione multipla
crea un doppio echo del riflettore nel sottosuolo, con un tempo di registrazione che è circa due volte rispetto a quello dell'onda riflessa una
sola volta. La riflessione multipla, che nei profili bidimensionali è visibile a profondità doppie rispetto alla riflessione principale, è generalmente di ampiezza molto più bassa a causa dello spreading geometrico subito durante il suo viaggio, dell'attenuazione dell'energia e delle riflessioni addizionali provenienti dalle altre interfacce che possono
interagire in modo distruttivo. La tecnica delle sezioni radar sintetiche
può consentire di produrre un modello di parti importanti di un sito
archeologico solo se è possibile utilizzare, prima, alcune informazioni
quali le condizioni stratigrafiche e le caratteristiche elettriche del terreno. E' anche necessario conoscere la geometria delle strutture di interesse. Il computer può usare queste informazioni per predire i coefficienti di riflessione incontrati alle varie interfaccia, l'attenuazione del
segnale con la profondità, la velocità dell'energia radar in differenti
unità e l'ampiezza delle riflessioni ricevute (Goodman 1994). Dopo
che il modello viene fatto girare, le riflessioni risultanti sono graficate
in due dimensioni in modo analogo ad un profilo GPR standard. Durante l'interpretazione i profili reali possono essere confrontati con i
78
Capitolo V
profili generati dal computer. I parametri inseriti nel modello possono
poi essere cambiati, e la simulazione può essere reimpostata fino a
quando si ottiene un confronto ragionevole con la sezione reale. Questo processo iterativo dei parametri di ingresso e il confronto con i dati
reali è spesso conosciuto nel mondo della prospezione geofisica come
“modello diretto”.
REALIZZAZIONE DI UN RADARGRAMMA SINTETICO
Al fine di generare un profilo radar sintetico, vengono calcolati su
un computer un largo numero di percorsi di un’onda radar che approssimano quello che può essere il percorso delle onde stesse nel terreno
nel caso reale. Questo tipo di modello bidimensionale è ben conosciuto in sismica, ed è conosciuto col nome di "ray tracing" nella terminologia geofisica. Nel modello GPR, dissimile dal modello sismico, devono essere presi in considerazione i lobi di trasmissione di forma conica (Goodman 1994). Per fare questo, deve essere calcolato sul computer il modello di percorso del raggio che tiene in considerazione lo
spreading conico, la conduttività complessa e la natura dissipativa della propagazione dell'onda elettromagnetica. I possibili percorsi dell'onda, che devono essere considerati quando si crea una sezione radar
sintetica, saranno esaminati per il modello mostrato in figura 17. Ci
sono qui quattro diversi mezzi in cui le onde radar possono viaggiare
dalla superficie dell'antenna, aria, mezzo 1, mezzo 2 e basamento roccioso (bedrock).
x Un’onda sarà riflessa indietro all'interfaccia tra mezzo 1 e 2, viaggiando direttamente indietro alla superficie dove viene registrata
dall'antenna ricevente (figura 17a).
x Un’altra onda compie lo stesso percorso, ma invece di essere registrata dall'antenna ricevente, è riflessa indietro nel terreno all'interfaccia aria-mezzo1. I percorsi di queste riflessioni multiple considerano il viaggio indietro nel terreno dove l'onda viene nuovamente riflessa all'interfaccia mezzo1-mezzo2 per tornare in superficie
all'antenna ricevente (figura 17b).
x Un percorso simile con riflessioni multiple viene simulato anche
all'interfaccia tra mezzo2 e basamento roccioso (figura 17c).
x Ci saranno percorsi simulati chiamati "dogleg" che prevedono andamenti complicati delle riflessioni multiple prima su tutte le in-
Modelli GPR sintetici
79
terfacce e poi finalmente indietro alla superficie (figure 17d, 17e,
17f).
Fig.17: Modello di trasmissione e riflessione delle onde radar in un mezzo a tre strati.
In a) si ha una sola riflessione tra mezzo 1 e mezzo 2. In b) si ha una riflessione multipla alla stessa interfaccia e alla superficie del terreno. In c) c’è la rifrazione
all’interfaccia tra mezzo 1 e 2, si ha anche una riflessione all’interfaccia tra mezzo 2 e
basamento roccioso (bedrock). In d), e) ed f) ci sono rifrazioni e riflessioni multiple
prima che l’onda torni indietro all’antenna.
Questi ed altri percorsi dentro il cono di illuminazione dell'antenna
trasmittente, sono simulati sul computer più di 100 volte per arrivare
alla composizione di tutte le onde riflesse che arrivano indietro alla
superficie dell'antenna. Il computer simula poi il movimento dell'an-
80
Capitolo V
tenna lungo di superficie del terreno del modello e il processo è ripetuto per più collocazioni dell'antenna lungo il tracciato. Sono anche registrati il tempo a cui ogni riflessione è ricevuta e la risultante ampiezza, successivamente le tracce simulate sono graficate in un profilo bidimensionale standard. Usando la RDP e la conduttività elettrica per
ogni unità stratigrafica simulata, il computer calcola i coefficienti di
riflessione a ogni interfaccia e la quantità di energia radar che è riflessa o trasmessa. Viene anche calcolata l'attenuazione che l’onda subisce lungo il percorso a causa della variazione di RDP e di conduttività
elettrica stimate e che sono programmate nel computer. In realtà ci sono un infinito numero di possibili percorsi dell'onda e di risultanti ampiezze, ma se il modello è costruito in modo non troppo complesso,
con l’utilizzo di un largo ma limitato numero di possibili percorsi del
raggio, si può dare vita ad un modello sintetico coerente ed utilizzabile. Di seguito illustriamo una sequenza di processi utilizzati nella costruzione di un semplice modello bidimensionale di sezione radar:
1) creare uno specifico itinerario di viaggio: trasmissione, riflessione, o entrambi, del raggio radar sintetico dalla superficie del terreno. Queste devono essere dedotte dalle persone che costruiscono il
modello e basato quindi sulla conoscenza della stratigrafia del sottosuolo e dei lineamenti archeologici;
2) man mano che i raggi sintetici viaggiano nei differenti mezzi, il
computer integrerà la distanza percorsa e calcolerà continuamente l'attenuazione e la risultante ampiezza dell'onda. La distanza e i cambi di
velocità lungo il percorso sono anche calcolati continuamente al fine
di misurare il tempo di viaggio;
3) quando l'onda radar colpisce l'interfaccia nel sottosuolo il computer calcola il cambio in ampiezza dovuto a riflessione o trasmissione. Esso stimerà anche l'angolo di rifrazione all'interfaccia dovuto al
cambio di velocità lungo le interfacce;
4) se il raggio ritorna alla superficie dell'antenna, vengono registrati il suo tempo di viaggio e la rimanente ampiezza. I raggi che vengono scatterati lontano dalla superficie dell'antenna non sono registrati;
5) i passi 1) e 4) sono poi calcolati per ogni angolo o sub angolo
dei raggi radar nella superficie del cono di illuminazione dell'antenna,
in modo dipendente dal loro percorso di viaggio. Questi devono essere
calcolati perché un onda sintetica ha maggiore ampiezza al di sotto
l'antenna piuttosto che di fronte e dietro l’antenna stessa, creando così
variazioni nell'ampiezza delle riflessioni;
Modelli GPR sintetici
81
6) i passi da 1) a 5) sono poi ripetuti per tutte le combinazioni importanti dei vari percorsi dei raggi nel cono di illuminazione e per tutte
le collocazioni lungo il tracciato bidimensionale del modello.
Tutti questi passi vengono realizzati solo con l’utilizzo di un programma di calcolo per sezioni bidimensionali.
Il risultato netto dei passi sopra illustrati è una sezione radar bidimensionale. I dettagli relativi alla teoria elettromagnetica coinvolta e
la descrizione matematica di tutti i passi nel modello è data in Goodman (1994). Nelle reali condizioni di campo, ci sono numerose riflessioni fuori piano che devono essere anche prese in considerazione.
Recentemente sono stati sviluppati modelli tridimensionali per i dati
della sismica a riflessione usati nell'esplorazione petrolifera, ma questi
non sono stati ancora adattati per il GPR.
APPLICAZIONI DEI MODELLI SINTETICI IN ARCHEOLOGIA
In aree dove i corpi sepolti hanno una considerevole variazione geometrica in una breve distanza, i profili GPR e le sezioni sintetiche
che modellano questi corpi possono essere molto complessi. Un esempio di sismogramma per una trincea sepolta a forma di V con lati
scoscesi e due differenti strati nel sottosuolo è mostrata nell’inserto1a.
In questo modello, che simula un fossato costruito intorno a un piccolo cerimoniale o un luogo di sepoltura, un materiale a più alta RDP è
sovrapposto a uno con RDP più bassa. Per semplicità le conduttività
elettriche di entrambi gli strati sono assunte essere uguali. Il modello
predice che alcune onde radar avranno una singola riflessione all'interfaccia, mentre altre sono riflesse due o tre volte dentro la trincea prima
di ritornare alla superficie. Le onde riflesse direttamente (quelle con
solo una riflessione all'interfaccia) mostrano il contorno del fossato,
con piccole ampiezze sui bordi del fossato a causa dello scattering. Per
il motivo che l'antenna vede il muro lontano dal fossato prima di incontrarlo, dovuto al lobo di trasmissione conica della superficie dell'antenna, le riflessioni dal lato del fossato saranno registrate (in tempo) a profondità più alte dell'effettivo fondo (bottom) del fossato. La
stessa cosa è vera man mano che l'antenna si muove lontano dal fossato, quando le riflessioni sono ricevute dal lato opposto. L'effetto netto
di queste riflessioni, man mano che le antenne vengono mosse lungo
la superficie del terreno, causa quello che è conosciuto come effetto
"bow-tie". Le riflessioni multiple dentro il fossato creano anche un iperbole direttamente sotto il lineamento del bow-tie. Altri lineamenti
82
Capitolo V
delle riflessioni multiple sono creati anche quando le onde radar sono
riflesse tre volte, ma queste sono registrate con ampiezze più basse a
causa della progressiva attenuazione dell'energia durante la trasmissione. Nei profili reali, triple e multiple di questo tipo, predette dal
computer, vicino alla superficie del terreno e sotto il bow-tie, non sono visibili probabilmente a causa della loro ampiezza più bassa. Nel
caso del fossato a V mostrato nell’inserto1a, se il modello sintetico
non è costruito e analizzato, il lineamento intorno e al disotto del fossato può essere confuso per un iperbole di un punto sorgente che rappresenta un qualcosa sepolto sotto il fossato. Il modello, tuttavia, dimostra che queste riflessioni sul profilo sono il risultato di riflessioni
multiple interne al fossato e non rappresentano lineamenti reali. Una
situazione simile è mostrata nell’inserto1b, dove un fossato più arrotondato contiene uno spazio vuoto nel suo interno (modello con RDP
uguale a 1). In questo modello, lo spazio vuoto rappresenta una sepoltura. Sono state usate le stesse caratteristiche fisiche del terreno di copertura e gli stessi tipi di onde riflesse come nel caso dell'affossamento a V dell'esempio (inserto1a). Il modello sintetico risultante mostra
l'ampia ampiezza della riflessione iperbolica di un punto sorgente, con
asse lungo proiettato sotto la base del sintetico, che è generato dalla
discontinuità di velocità provocata dallo spazio vuoto. Il bordo superiore dell'affossamento è visto come una forte riflessione, con il bottom distorto a causa dell’effetto bow-tie simile a quello visibile nell'esempio dell'affossamento a V. Questo modello più complicato illustra
come lo spazio vuoto dovrebbe essere scoperto facilmente in situazioni reali dal fatto che esso è visibile come una riflessione iperbolica di
un punto sorgente. I bordi superiori dell'affossamento dovrebbero anche essere visibili da riflessioni dirette, ma la sua base dovrebbe essere
oscurata o distorta a causa dell'effetto bow-tie e l'interferenza dell'iperbole di riflessione del punto sorgente che è generata dal vuoto. Le
riflessioni registrate sul profilo che vennero generate dalle multiple
non sono visibili in modo esplicito a causa della loro bassa ampiezza,
e tendono solo ad oscurare e complicare altre riflessioni importanti nel
sintetico. Un modello che illustra come strati di materiali di spessori
variabili con differenti RDP e conduttività elettrica, producono riflessioni è mostrato nella Inserto1c. In questo modello, l'interfaccia piana
tra il mezzo 2 e 3 rappresenta una superficie di interesse archeologico.
La complessità di questo modello nasce dalle differenze nella RDP e
le variazioni di spessore dei due strati sovragiacenti. I cambi di RDP
influiscono direttamente sui cambi di velocità dell'energia radar che
Modelli GPR sintetici
83
passa attraverso i due materiali che stanno al di sopra dell’antica superficie piana di calpestio che interessa. La fitta sezione di materiale
con alta RDP rallenterà l'energia radar quando essa viaggia verticalmente dalla superficie del terreno all'interfaccia di interesse e indietro
alla superficie. La sezione più sottile di questo materiale a più alta
RDP permetterà all'energia radar di passare dalla superficie del terreno
all'interfaccia di interesse e indietro alla superficie del terreno in una
quantità più piccola di tempo perchè essa percorre una distanza più
corta nel materiale a velocità più bassa. Le risultanti riflessioni generate dall'interfaccia sepolta di interesse, quando plottate in tempi doppi
di viaggio, saranno distorte a causa delle velocità e degli spessori differenti. Sotto l'area, dove si trova la sezione sottile di materiale a bassa
velocità (più alta RDP), la superficie apparirà ad arco con concavità
verso l'alto. L'opposto è vero sotto l'area dove il materiale a bassa velocità è più spesso. Questo archeggio verso l'alto e verso il basso dell'interfaccia di interesse è causato solo dalle differenze nello spessore
e nella velocità dell’onda elettromagnetica nel materiale sovrastante,
crea l’illusione di una superficie ondulata tra il mezzo 2 e il mezzo 3,
riferito come un pull up o pull down di velocità. Un pull up di velocità
simile al modello dell’inserto1c può anche essere trovato sotto un largo spazio vuoto sepolto. L’incremento della velocità dell'onda radar
nel vuoto creerà un arco artificiale verso l’alto di queste riflessioni
prodotte al di sotto del vuoto. Un pull down può anche aversi dove
condizioni localizzate creano un rallentamento della velocità dell’onda
radar, possibilmente dovuto ad un improvviso cambio stratigrafico o
archeologico, o a cambi delle condizioni del terreno in superficie. Una
tavola d'acqua fluttuante, o cambi nella saturazione d'acqua di unità
sepolte collocate sopra la tavola d'acqua, può anche rallentare le onde
radar e distorcere le riflessioni sottogiacenti a causa delle condizioni
localizzate. Nel modello dell’inserto 1c, il contatto ondulante tra i
mezzi 1 e 2, collocato sulla superficie di interesse, è accuratamente
ritratto dalle riflessioni più alte nel sintetico; solo l'interfaccia di interesse al di sotto di queste unità è distorta. In una situazione reale, se la
RDP di due strati sovrapposti è conosciuta, i cambi di velocità possono essere previsti e la distorsione delle riflessioni sottogiacenti può essere aggiustata durante il trattamento dei dati. Questo modello dimostra uno dei maggiori inganni che l'interpretatore dei dati GPR può incontrare quando ci sono larghi cambi in velocità dell’onda radar nel
materiale di copertura. In aggiunta a questi problemi, le onde radar, a
causa di complesse rifrazioni e trasmissioni negli strati del sottosuolo,
84
Capitolo V
possono non essere trasmesse attraverso loro e perciò non essere riflesse da alcun corpo sepolto. Queste regioni non illuminate, conosciute anche come "zone d’ombra" (Goodman 1994), sono aree dove
non si hanno riflessioni, sebbene siano presenti corpi che potrebbero
riflettere energia.
MODELLI SINTETICI CONFRONTATI CON I PROFILI GPR
I sintetici vennero realizzati nella zona del Ceren in El Salvador al
fine di creare un modello di un area posta intorno e sopra una struttura
sepolta. Si tratta di un villaggio Maya che fu sepolto da un eruzione
vulcanica nell'A.D. 590 circa (Sheets 1992). Numerose strutture e superfici di calpestio sepolte sono state conservate quasi perfettamente
sotto più di 5 m di cenere vulcanica e successive eruzioni. Una struttura consistente in una casa elevata costruita su una piattaforma al di
sotto della superficie del terreno venne modellata al computer (inserto
2a). In questo modello sintetico la RDP del materiale vulcanico di copertura, dell'antica superficie di calpestio, del materiale di costruzione
usato nelle strutture, e dello strato di argilla sotto l'antica superficie di
calpestio vennero ottenute da test realizzati in situ e da misure di laboratorio su campioni raccolti in campagna (Conyers 1995a). Il modello
venne costruito per simulare il risultato ottenibile dall’utilizzo di
un’antenna con frequenza di centro banda pari a 300 MHz. Venne usata una RDP pari a 3.2 per l'unità vulcanica sovrastante a profondità di
2 m.
A una profondità di 2 m la RDP venne improvvisamente aumentata
a 5, sebbene nella realtà la RDP aumenta gradatamente con la profondità a causa del graduale aumento della saturazione d'acqua. Per semplicità nel modello questa variazione non venne tenuta in considerazione al fine di rendere le riflessioni sintetiche meno complicate possibili. Il sintetico creato prende in considerazione un drastico cambio
di RDP da 5 a 12 quando si ipotizza il raggiungimento della superficie
antica di calpestio. Questa assunzione è basata su osservazioni dirette
effettuate in situ che documentano un aumento nella saturazione d'acqua e contenuto di argilla all'interfaccia con l’antica superficie di calpestio e da misure dirette di velocità descritte nel capitolo VI. Basandosi sui risultati di alcuni scavi già realizzati nella zona (kievit 1994)
venne fatta l’ipotesi di un modello con una struttura composta da due
colonne verticali o muri posta su una collinetta (inserto 2a). Le strutture furono coperte, sempre nel modello, da circa 5 m di materiale vul-
Modelli GPR sintetici
85
canico. Il carattere delle riflessioni predetto nel modello risultante potette essere comparato direttamente con i profili GPR acquisiti realmente su strutture conosciute. Questo fu possibile perchè i profili GPR
furono acquisiti sulle strutture prima del loro scavo.
Fig.18: Profilo GPR acquisito con antenna da 300 MHz su una struttura sepolta con muri o colonne, simile a quella modellata nella Inserto2a. Le riflessioni da punto sorgente si hanno dal top dei muri o colonne come predetto. Il
tetto della struttura e l’antico piano di calpestio sono visibili come riflessioni
di alta ampiezza, come predetto nel modello sintetico.
Nel modello sintetico mostrato nell’inserto 2a, vennero generate riflessioni di punti sorgente da muri o top di colonne. L’apice di queste
iperboli è posizionato all’interno della copertura di polvere vulcanica.
Lo stesso fenomeno è visibile in un certo numero di profili reali acquisiti con l’antenna da 300 MHz nei punti in cui i tracciati attraversano una struttura sepolta con muri verticali o colonne (figura 18).
In questo caso le riflessioni furono generate dal top delle colonne o
muri e dal tetto della struttura sepolta.. I modelli sintetici predicono
anche la presenza di riflessioni con un ampia ampiezza che si avrebbero al contatto tra l'antica superficie di calpestio e la sovrastante cenere
vulcanica. Questa predizione riproduce la risposta che si è vista in
86
Capitolo V
molte sezioni GPR acquisite nel sito dove è stata identificata sia
l’antica superficie di calpestio che le strutture esistenti. I modelli generati al computer delle strutture sepolte e dell’antica superficie di
calpestio vennero utilizzate durante l’interpretazione come base per
identificare sia l’antica superficie di calpestio sia le strutture sepolte su
di essa (Conyers, 1995b).
Altre tecniche di interpretazione che migliorano parzialmente i dati
derivati dai modelli sintetici sono discussi nel capitolo VII.
La costruzione dei sintetici bidimensionali aggiunge un importante
nuova dimensione all'interpretazione dei dati GPR. Nelle condizioni
reali, i cambi stratigrafici e le dimensioni dei lineamenti archeologici
possono essere altamente variabili e può essere difficile interpretarli
nei profili GPR. Le riflessioni possono anche essere alterate a causa di
imprevedibili cambi nella saturazione d'acqua e condizioni del sottosuolo. Queste sono solo alcune delle variabili che devono essere prese
in considerazione nelle condizioni reali. Senza l’uso dei programmi
per i modelli che possono simulare questi tipi di variazioni, molti lineamenti sepolti possono non essere riconosciuti o essere interpretati
male.
L’uso dei modelli sintetici prima di andare in campagna può anche
essere di beneficio per la selezione dell’equipaggiamento da utilizzare.
Se le condizioni di campagna sono note, può essere scelta la giusta
frequenza dell’antenna da utilizzare e la migliore spaziatura tra i profili all’interno di una determinata griglia. La capacità di realizzare un
certo numero di modelli sintetici in modo veloce consente di tenere
presente la variabilità dei parametri fisici e la geometria dei lineamenti
archeologici.
INSERTI
A COLORI
Modelli GPR sintetici
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Capitolo V
Modelli GPR sintetici
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Capitolo V
Modelli GPR sintetici
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Capitolo V
Modelli GPR sintetici
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Capitolo V
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Capitolo V
Inserti a colori
Inserto 1: Modello sintetico bidimensionale di una trincea a V sepolta. Viene ipotizzato un cambio nella permettività dielettrica relativa (RDP) tra i due materiali, con la
generazione di riflessioni singole e multiple all’interfaccia. Le linee che delimitano la
trincea possono essere viste come effetto “bow tie” creato direttamente sopra la trincea. L’effetto bow tie è creato dall’ampio campo visuale inerente alle antenne radar.
Inserto 1b: Modello sintetico bidimensionale di una trincea circolare con una parte
vuota al suo interno. Questo modello simula una camera di sepoltura o un deposito
nella trincea. L’RDP è uguale a quella dell’inserto 1a. Si ottiene un iperbole di riflessione creata dallo spazio vuoto (RDP=1). I lati superiori della trincea sono visibili nel
modello, ma la sua base è oscurata a causa dell’effetto bow tie, simile a quello creato
nella trincea a V nella Inserto 1a.
Inserto 1c: Modello sintetico bidimensionale di un sistema a tre strati uno dei quali
presenta ondulazioni. Le relative differenze in spessore degli strati con RDP pari a 7 e
15 creano variazioni di velocità nel modello bidimensionale.
Inserto 2a: Modello sintetico bidimensionale di una piattaforma di abitazione sepolta
al Ceren in El Salvador. La permettività dielettrica relativa delle varie unità stratigrafiche venne derivata in laboratorio e da test effettuati in situ. Il modello sintetico mostra le iperboli di riflessione generate dai muri della struttura e dal piano della piattaforma. Riflessioni di forte ampiezza sono anche ricevute dall’antica superficie di calpestio sovrastante.
Inserto 2b: Rappresentazione tridimensionale della topografia sepolta del Ceren così
come ottenuta dai rilievi GPR. La vista è da sud-est a 20 gradi sull’orizzontale. La
topografia sepolta è stata verticalmente esagerata due volte.
Inserto 3: Versione tridimensionale di figura 30. Le costruzioni, gli alberi, la piazza
centrale ed altri lineamenti antropici vengono costruiti sul computer usando le informazioni digitali visualizzate in figura 30.
Inserto 3b: Slice di anomalie di ampiezza costruita tra 60 ns e 80 ns ( da 3.9 m a 5.2 m
di profondità) al Ceren in El Salvador. Le anomalie di colore rosso e arancione rappresentano la collocazione di strutture sepolte che vennero costruite sull’antica superficie di calpestio sepolta. Queste anomalie rappresentano la collocazione di riflessioni
di alta ampiezza generate alle interfaccia di muri e tetti di argilla con la matrice del
materiale circostante rappresentato da cenere vulcanica. Tale mappa è stata ottenuta
prendendo in considerazione i dati della griglia 4 mostrata in figura 39.
Modelli GPR sintetici
89
Inserto 4: Una serie di slice orizzontali (mappe di ampiezza) del sito Nyutabaru in
Giappone. La collina circolare e la stanza centrale entrambe sepolte sono chiaramente
visibili nella slice da 40 ns a 48 ns. Nel lato ovest della stessa slice è visibile un possibile recinto sotto forma di anomalie lineari.
Inserto 5a: Time slice della collina sepolta Kofun 111 nel Parco di Saitobaru in Giappone. Nelle slice dalla superficie a 42 ns è chiaramente visibile la collina. Nelle slice
da 56 a 98 ns sono visibili i lineamenti interni che possono rappresentare camere di
sepoltura ed un tunnel che conduce all’interno di quest’ultime. Nelle slice da 112 a
168 ns sono visibili ulteriori lineamenti interni alla collina.
Inserto 5b: Time slice relative alla griglia GPR eseguita sulla collina Yamashiro Futagozuka in Giappone. La stanza di sepoltura è visibile come un anomalia fortemente
colorata nella porzione est della griglia nelle slice da 40 a 70 ns.
Inserto 6a: Visualizzazione tagliata tridimensionale delle anomalie dell’Inserto 5b che
venne realizzata dalla stanza sepolta; Collina Yamashiro Futagozuka, Giappone.
Inserto 6b: Time slice costruite dopo la correzione topografica effettuata sui profili
bidimensionali della Collina 6 di Spiro in Oklahoma. La slice da 35 a 42 ns visualizza
un lineamento rettangolare che potrebbe rappresentare una struttura posta all’interno
della collina.
Inserto 7a: Time slice prodotte al sito Matsuzaki in Giappone. Le anomalie di ampiezza nelle slice da 21 a 42 ns vengono rappresentate le collocazioni di lineamenti archeologici. Una moderna buca discarica è visibile in tutte le slices mentre le strutture
archeologiche più antiche sono visibili solo nelle slices più profonde. (Dopo Goodman et al., 1995).
Inserto 7b: Time slice relative al sito Shawnee Creek in Missouri. Un certo numero di
anomalie è visibile nelle slice più in basso che rappresentano costruzioni sepolte e
altri lineamenti archeologici non ancora scavati.
Inserto 8: Time slice non corrette per la topografia riferite alle colline Kofun 102 e
103 in Giappone. Le slice da 0 a 16 ns mostrano i lineamenti della superficie e la collocazione delle colline. Nelle slice da 32 a 40 ns sono visibili i tunnel verticali come
anomalie di alta ampiezza rosse e gialle. Possibili camere di sepoltura sono visibili
nella collina 102 nelle slice piu’ profonde da 40 a 64 ns.
CAPITOLO VI
ANALISI TEMPO – PROFONDITA’
Uno dei principali scopi degli attuali rilievi GPR è realizzare una
mappa accuratamente della stratigrafia e delle strutture archeologiche
sepolte. Nel passato, molti studi GPR, specialmente quelli condotti
nelle investigazioni archeologiche, avevano i limiti oggettivi di trovare anomalie correlabili a strutture archeologiche che potevano essere
successivamente scavate. L’effettiva profondità e orientazione dei lineamenti scoperti e la natura della stratigrafia circostante, che può essere correlata a questi lineamenti, era generalmente di interesse secondario. In contrasto con le prime “cacce all’anomalia” dei rilievi GPR,
molti rilievi più recenti sono stati condotti con lo scopo di ottenere, in
modo non invasivo e in dettaglio, una mappa dei lineamenti sepolti,
qualche volta senza dovere scavare. Molte volte, quando vengono pianificati gli scavi in seguito al risultato geofisico, le mappe GPR possono delineare molto accuratamente aree specifiche senza il necessario
scavo esplorativo esteso. Per completare questi obiettivi, è necessario
avere una mappa precisa del sottosuolo con le vere profondità. Gli archeologi con un background geologico hanno imparato che i dati GPR
danno eccellenti informazioni stratigrafiche circa i sedimenti e il terreno che circonda gli scavi. Le informazioni stratigrafiche, inottenibili
in altro modo, possono essere di grande aiuto quando si ricostruisce la
topografia sepolta, si studia la perturbazione antropica, e si analizzano
i processi post deposizionali che possono avere influito su un sito archeologico. Le specifiche riflessioni visibili nei dati GPR, che sono
sempre misurate in tempo doppio di viaggio, devono essere legate, per
conoscere la stratigrafia o i lineamenti archeologici, a profondità misurabili. Questa conversione del tempo doppio di viaggio in profondità
deve essere fatta prima dell’interpretazione. La conversione tempoprofondità può essere stabilita solo se la velocità dell’energia elettromagnetica che attraversa un determinato materiale può essere stimata.
Questo capitolo descrive un certo numero di test che possono essere
compiuti in campagna e in laboratorio per arrivare alla misura della
velocità di propagazione dell’energia elettromagnetica in un determinato materiale. Il tempo di viaggio dell’onda radar è la sola misura diretta che può essere effettuata usando l'equipaggiamento GPR in situ.
99
100
Capitolo VI
Ci sono due tecniche per determinare la velocità in situ: il metodo
dell’onda riflessa e il metodo dell’onda diretta. Il metodo dell’onda
riflessa richiede che le onde radar siano riflesse da oggetti o interfacce
stratigrafiche a profondità che possono essere direttamente misurate
(Sternberg and Mc Gill 1995). Il metodo dell’onda diretta prende in
considerazione la trasmissione delle onde radar direttamente attraverso il terreno, da un antenna (trasmittente) ad un'altra (ricevente) lungo
una distanza nota. Entrambi questi metodi consentono di stimare la
velocità attraverso misure di tempo e distanza. Di norma, nell’area
sotto studio, dovrebbero essere condotti test multipli di velocità per
valutare la velocità dell’energia radar nel materiale di copertura, la
velocità al variare della profondità e i cambi laterali di velocità. Le variazioni spaziali di velocità sono più comunemente causate da cambi
nella saturazione d’acqua e nella litologia. Il contenuto d’acqua è generalmente la sola variabile più significativa che influisce sulla velocità dell’onda radar. La sabbia di quarzo asciutta ha una RDP di circa 4
con una velocità dell’onda radar di circa 14.99 cm/ns. Di contro la
RDP dell’acqua è 80 con una velocità di 3.35 cm/ns. Se solo una piccola quantità d’acqua è contenuta nello spazio dei pori della sabbia asciutta, la velocità dell’energia radar viaggiante in essa decrescerà significativamente. In molte registrazioni, il contenuto d’acqua del terreno aumenta naturalmente con la profondità e questo si traduce in
una corrispondente diminuzione della velocità media dell’onda radar
nel materiale attraversato. Il grado del contenuto d’acqua residuo nel
terreno collocato al di sopra della tavola d’acqua, come la profondità
della tavola d’acqua, può fluttuare drasticamente attraverso un area a
causa dei cambi della superficie topografica, della stratigrafia e della
collocazione del drenaggio caratteristico. Nel contesto archeologico,
le caratteristiche antropiche delle sepolture possono anche creare situazioni (stratificazione) che influenzano la saturazione d’acqua e perciò creano drastiche differenze nei valori di velocità in un stesso sito.
La velocità non è influenzata solo dalle differenze nella saturazione
d’acqua ma anche da cambi litologici dei terreni e dei sedimenti. Molte volte è difficile determinare la causa delle differenze di velocità in
una stessa area perché essi possono essere correlati a entrambi saturazione d’acqua e cambi litologici. E’ importante ricordare che le misure
di velocità in un sito sono valide solo per i dati GPR raccolti entro pochi giorni da quando sono state fatte le misure stesse. Drammatici
cambi di velocità si possono avere con la stagionatura dei sedimenti e
le fluttuazioni di umidità nel terreno; la velocità può qualche volta
Analisi tempo-profondità
101
cambiare rapidamente anche durante il periodo di un rilievo, a causa
della quantità di pioggia torrenziale caduta, neve sciolta o inondazioni.
Per esempio test di velocità fatti nel sito Ceren in El Salvador durante
la stagione delle piogge diedero come risultato una RDP pari a 12 (una
velocità media di 8.7 cm/ns) (Doolittle and Miller 1992), mentre test
fatti nella stessa area alla fine di sei mesi di stagione secca diedero una
RDP di circa 5 con una velocità di circa 13.4 cm/ns (Conyers and Lucius 1996). In questo caso, se i test di velocità fatti durante una stagione sono usati per il trattamento e l’interpretazione dei dati GPR acquisiti dopo appena pochi mesi possono portare a calcoli imprecisi di
profondità delle riflessioni di interesse.
IL METODO DELL’ONDA RIFLESSA
E’ il metodo più accurato e diretto per misurare la velocità e identificare le riflessioni nei profili GPR che sono causate da oggetti, da lineamenti archeologici o da interfaccia di interesse. Questi metodi permettono una determinazione diretta della velocità media delle onde
radar dalla superficie dell’antenna ad una profondità misurata. Nel
passato questi tipi di test di velocità sono stati condotti in siti archeologici su oggetti sepolti di diverso tipo come ossa di balena (Vaughan
1986), filo di rame (Kenyon 1977) e scatole vuote (Doolittle and Miller 1992). I test dell’onda riflessa che furono fatti al Ceren sono stati
usati qui come esempio (Conyers and Lucius 1996). Essi sono riferiti
come “test della barra” , “test del muro” e “test della correlazione stratigrafica”.
Il test della barra coinvolge una barra in ferro battuto di rinforzamento di uno scavo e identificata su un profilo GPR. Per il motivo che
gli oggetti di metallo sono vicini a riflettori perfetti, le riflessioni generate da loro sono facilmente identificabili sui profili GPR.
Il test del muro è analogo al test della barra eccetto per il fatto che
si tratta della parte superiore (top) di un muro di terracotta, parte del
quale (un estremità) è stata rinvenuta in uno scavo, identificato su un
profilo GPR.
Il test della correlazione stratigrafica incorpora misure di velocità
derivate dai due test precedenti per aiutare ad identificare le riflessioni
generate da importanti orizzonti stratigrafici rilevabili in due pozzi
test.
Capitolo VI
102
Il test della barra: In questo test, una barra di ferro battuto fu inserita
all’estremità di uno scavo esattamente a 1.1 m al di sotto della superficie del terreno. Due antenne da 500 MHz furono piazzate sulla superficie del terreno e tirate lentamente sulla barra e contemporaneamente si registravano le riflessioni dal sottosuolo. Al fine di ottenere
la massima quantità di riflessioni dal sottile metallo, l’asse delle antenne deve essere orientato parallelamente alla lunghezza della barra.
Questa orientazione dell’antenna creerà un campo elettrico che sarà
orientato parallelamente alla barra che produrrà la massima quantità
di riflessione. Se l’asse dell’antenna è orientato perpendicolarmente
alla barra, solo una piccola porzione dell’energia radar trasmessa sarà
riflessa dalla barra, e probabilmente non sarà visibile nei profili. Attenzione deve essere anche fatta nell’usare un antenna di frequenza in
grado di penetrare alla profondità dell’oggetto che è necessario mettere in evidenza. Se viene usata un antenna a bassa frequenza è necessario un oggetto largo in modo che esso sia visibile sui profili bidimensionali tradizionali. Per esempio la barra di ferro usata al Ceren, di
diametro di 2.5 pollici (circa 6 cm), non era visibile alla profondità di
1.1 m con l’utilizzo di un antenna da 300 MHz ma lo era con l’utilizzo
di un antenna di frequenza più alta (quindi a più alta risoluzione), la
500 MHz. Durante i test di velocità, fu sconcertante il fatto che la barra di ferro non era visibile nei profili dei dati grezzi. Solo dopo aver
trattato i dati con il background removal filter, discusso nel capitolo
IV, la barra venne resa visibile come un iperbole di riflessione (figura
19), con l’apice denotante il top della barra.
In questo test, il tempo doppio di viaggio dalla superficie alla barra
e indietro alla superficie era di 13 ns mentre la profondità della barra
era di 1.1 m. L’equazione 1 può anche essere usata per calcolare la
permettività dielettrica relativa (k) del materiale tra la superficie e 1.1
m di profondità. E’ importante ricordare che il tempo di viaggio doppio misurato deve essere diviso per due al fine di arrivare al tempo di
viaggio e da qui alla velocità (tempo diviso distanza) delle onde radar
che viaggiano dalla superficie al corpo sepolto. Dalla equazione 1 si
ricava:
k
0.2998 ˜ (13 / 2)
1.1
3.14
Analisi tempo-profondità
103
Dovrebbe essere notato che questi strati in superficie sono composti
da cenere vulcanica che è quasi priva di argilla ed è estremamente asciutta in quanto il test venne eseguito alla fine della stagione secca.
Fig. 19: Iperbole di riflessione generata da una barra metallica. La barra venne sepolta a 1.1 m di profondità. L’apice dell’iperbole di riflessione è visibile
a 13 ns (tempo doppio di viaggio).
Come ci si aspettava un simile test, fatto all’incirca nella stessa area durante la stagione delle piogge, portò ad una RDP pari a 12 e
quindi ad una diminuzione del valore di velocità, mettendo così in evidenza l’effetto dell’acqua sulla velocità dell’onda radar. Utilizzando
gli stessi valori di tempo e distanza già misurati, la velocità media delle onde radar dalla superficie a 1.1 m risulta essere di 16.92 cm/ns
104
Capitolo VI
(110 cm / 6.5 ns) che è una velocità molto alta per le onde GPR. Se
nel profilo è visibile un iperbole da punto sorgente è possibile apportare variazioni al test. Se è nota in superficie la posizione dell’anomalia,
essa può essere scoperta, la sua origine determinata, e la sua profondità misurata. La stessa velocità determinata nel test della barra può poi
essere utilizzata per convertire i tempi in profondità.
Il test del muro: Un altro test tempo – profondità venne fatto in prossimità del test della barra, dove lo spigolo di una struttura con muri di
terracotta sepolta era stato parzialmente messo in evidenza da uno
scavo. Una porzione di muro lunga 2 m era ancora sepolta al di sotto
del terreno di copertura dove venne condotto il test. Il top della struttura era posto a circa 2.51 m di profondità. Un certo numero di profili
GPR furono poi acquisiti perpendicolarmente e parallelamente al muro utilizzando una coppia di antenne da 300 MHz. Nei tracciati paralleli il muro non era visibile perché l’asse lungo delle antenne era perpendicolare all’orientazione del muro e quindi l’energia riflessa era
poca.
Fig. 20: Profili GPR relativi al test del muro. Il profilo a sinistra venne acquisito perpendicolarmente al muro sepolto, il top del quale venne misurato essere a 251 cm di profondità. Il top del muro è visibile nei profili a 38 ns, con
una duna di cenere lungo il suo lato nord. Il profilo a destra venne acquisito
due metri a est della costruzione sepolta, dove è visibile solo un inclinazione
della stratigrafia.
Analisi tempo-profondità
105
Il muro era visibile solo sui profili perpendicolari. Altre linee del
test vennero collocate nelle vicinanze, ma non sulla struttura, in modo
da ottenere profili che non contenevano il muro sepolto per confrontarli con gli altri che lo contenevano. I due profili sono mostrati in figura 20. Nei profili che attraversano il muro si nota il top della cenere
vulcanica che dà origine ad una duna a nord del muro. Questa duna
era anche visibile sulle facce esposte ai lati dello scavo. Il top del muro è visibile nella sezione GPR che attraversa il muro a 38 ns. Il profilo radar acquisito a est della struttura mostra solo una regione inclinata
del letto vulcanico dove non si sono formate dune. Usando
l’equazione 1 allo stesso modo del test della barra, con tempo doppio
di viaggio pari a 38 ns e profondità del top del muro pari a 2.51 m la
RDP risulta essere di 5.15. La velocità media risulta essere quindi di
13.21 cm/ns (251 cm / 19 ns) più bassa di quella calcolata nel test della barra, questo potrebbe essere indice di un aumento della saturazione
d’acqua con la profondità. I risultati di questi due calcoli tempo – profondità sono mostrati nella tabella 3.
Tab. 3: Risultati delle analisi di velocità eseguite sulla barra e sul muro.
Profondità
(m)
Distanza
totale (cm)
0-1.1
0-2.51
220
502
Tempo dop- RDP
pio di viaggio (ns)
13
3.14
38
5.15
Velocità
(cm/ns)
16.92
13.21
Le conclusioni più ovvie che possono essere tratte da questi test è
che la velocità media vicino alla superficie del terreno è più grande di
quella a profondità più grandi di circa 1 m. Quando si usano questi dati per convertire il tempo di viaggio in profondità, durante il trattamento post acquisizione, si deve fare attenzione ad usare il corretto valore
di RDP. Riflessioni create da zone di interesse collocate al di sopra di
un metro o quasi dovrebbero essere convertite in profondità usando
una RDP di circa 3. Tuttavia se le riflessioni da posizionare sono collocate al di sotto di 1.5 m dovrebbe essere usata una RDP di 5. Se viene usata una RDP di 5 per trattare tutti i profili GPR di una griglia,
allora solo le riflessioni al di sotto di 1.5 m dovrebbero essere quelle
più accuratamente posizionate in profondità. Quindi la cosa più accurata da fare è riuscire ad ottenere valori di RDP a varie profondità e
106
Capitolo VI
compilare una curva di variazione di RDP per la sezione stratigrafica.
Un equazione matematica che definisce la variazione di RDP con la
profondità dovrebbe poi essere applicata ai dati acquisiti durante il
trattamento al fine di trasformare l’asse dei tempi in profondità e creare profili con profondità più vicine a quelle reali. Questo approccio più
complicato non è ancora comunemente applicato negli studi archeologici per la conversione tempo – profondità dei dati GPR.
Correlazione stratigrafica: Una volta ottenuta un’accurata stima della
velocità a differenti profondità da misure dirette, può essere fatto un
confronto delle riflessioni visibili nei profili per conoscere la stratigrafia. Per il sito Ceren venne fatta una correlazione stratigrafica su profili GPR eseguiti, da est a ovest, sulle estremità di due pozzi test scavati
di recente (Conyers and Lucius 1996). Una completa sezione
dell’importante stratigrafia del sito venne ottenuta dall’osservazione di
entrambi i pozzi, tale sezione poteva poi essere confrontata con le riflessioni nelle sezioni radar. L’antica superficie di calpestio, sepolta
dall’eruzione vulcanica, è chiamata “tierra blanca joven” o TBJ. Sopra
più di pochi centimetri dalla TBJ erano costruite le strutture, la gente
lì passeggiava e lì si sviluppava l’agricoltura. La cenere vulcanica ha
preservato queste superfici (Sheets 1992). Quindici differenti unità
vulcaniche vennero depositate sulla superficie del TBJ, raggiungendo,
in alcuni punti uno spessore totale di più di 5 m (Miller 1989). Le unità vulcaniche sovrastanti la TBJ consistono di alternanze di granelli
fini e grossi di materiali piroclastici che hanno una struttura chimica
simile ma differente densità, porosità e saturazione d’acqua residua.
Tutte e 15 le unità vulcaniche e la TBJ erano ben visibili nei pozzi test
su entrambi i lati dei profili GPR. Per queste ragioni due profili GPR
furono eseguiti in modo da intersecare gli scavi su entrambi i lati; questo permetterebbe correlazioni dirette delle riflessioni GPR alla stratigrafia su entrambi i lati dei profili. Furono usate antenne da 500 MHz
per raccogliere i dati lungo una delle linee di correlazione stratigrafica
per costruire un immagine della stratigrafia poco profonda dalla superficie del terreno fino ad una profondità di circa 2.5 m, che è approssimativamente di 30 ns in tempo doppio di viaggio (figura 21).
Antenne da 300 MHz furono usate lungo lo stesso profilo per risolvere la stratigrafia a circa 5 m, o approssimativamente a 80 ns in
tempo doppio di viaggio. I dati GPR furono acquisiti sui bordi di ogni
scavo in modo tale da legare direttamente la stratigrafia conosciuta nei
pozzi a entrambi i lati. Le riflessioni più ampie e continue sulla linea
Analisi tempo-profondità
107
del test vennero misurate a 62 ns (tempo doppio), sui bordi ovest della
linea. Questa riflessione, estremamente forte e lateralmente continua,
Fig. 21: Profili acquisiti lungo la stessa superficie con antenne da 300 MHz e
500 MHz. Le riflessioni sono correlate alla stratigrafia su entrambi i profili.
era probabilmente causata da un forte contrasto di velocità tra unità di
differente litologia con un relativo cambio nel contenuto d’acqua. Calcolando la profondità approssimata della riflessione sull’estremità a
ovest della linea di test, usando una velocità media di 13.2 cm/ns, ottenuta dal test del muro, arriviamo ad una profondità approssimata di
409 cm al di sotto della superficie. Nel pozzo test situato a ovest, la
prima drastica discontinuità litologica concepibile che ha causato questa forte riflessione è il contatto tra il top della TBJ e il sovrastante
materiale vulcanico, che fu misurato ad una profondità di 420 cm circa. Assumendo che la riflessione di alta ampiezza a 62 ns rappresenta
il top della TBJ otteniamo il valore della velocità dell’onda radar che
108
Capitolo VI
attraversa il materiale vulcanico di copertura della TBJ di 13.55 cm/ns
che, rispetto a quello calcolato nel test del muro, evidenzia solo un
piccolo rallentamento (tabella 3). L’interpretazione successiva, di più
di 7600 m di dati GPR acquisiti all’interno di 5 griglie vicine, confermava che questa riflessione era di fatto generata al top della TBJ. La
superficie topografica sepolta del TBJ, definita dai profili GPR convertita in profondità, corrisponde quasi perfettamente all’orientazione
della topografia sepolta evidente in quattro grandi scavi e quattordici
pozzi test posti vicino alle aree rilevate con il GPR stesso (Conyers
1995b). I modelli sintetici generati al computer, discussi nel capitolo
V, predicono anche una forte riflessione al top della TBJ e confermano ulteriormente questa correlazione. E’ anche possibile verificare i
valori di velocità calcolati dai test della barra e del muro correlando
altri strati alle riflessioni visibili sopra la TBJ nei profili dei test stratigrafici (figura 21). Il profilo acquisito con le antenne da 500 MHz era
in grado di risolvere unità specifiche nel materiale vulcanico di copertura a una profondità di circa 2.5 m. Al fine di confermare il calcolo
della velocità ottenuta dal test della barra, il forte riflettore, visibile a
13 ns sul bordo est della linea, venne assunto rappresentare il top di
una forte unità vulcanica visibile nel pozzo test. Questa unità, informalmente chiamata “capa dura” o strato duro, è numerata come unità
8 (Miller 1989). E’ l’unità vulcanica densa e come tale contiene la
maggiore quantità di acqua interstiziale in confronto con altre unità
vulcaniche poste al di sopra. Osservazioni negli scavi su entrambi i
lati della linea di correlazione indicano che l’improvviso cambio nella
saturazione d’acqua e l’indurimento tra unità 8 e la sovrastante meno
satura unità vulcanica crea probabilmente una forte riflessione nel
profilo GPR. Per verificare questa assunzione venne usata una velocità
media di 16.92 cm/ns, calcolata dal test della barra (tabella 3), per calcolare la profondità di questa forte riflessione. Usando questa velocità
il cambio in litologia, che produce queste riflessioni, si ha a 109.98 cm
nel pozzo sull’estremità a est della linea (16.92x13/2). In questo pozzo
l’unità 8 venne misurata a 136 cm di profondità, valore vicino a quella
calcolata, dando alcune conferme alle misure di velocità in superficie
derivate dal test della barra. Come ulteriore test, per la precisione della
correlazione dell’unità 8, la riflessione venne correlata a ovest lungo i
profili di test. Sfortunatamente non fu possibile realizzare una correlazione utilizzando esclusivamente i dati della 500 MHz perché i pozzi
e le riflessioni, da est a ovest, scendono al di sotto delle profondità che
l’antenna da 500 MHz riesce a risolvere. Fortunatamente la riflessione
Analisi tempo-profondità
109
è anche visibile, con meno precisione, nel profilo a 300 MHz in figura
21. Sull’estremità ovest della linea la riflessione ipotizzata dell’unità 8
si ha a 35 ns. L’unità 8 venne misurata a esattamente 231 cm di profondità in questo pozzo posto ad ovest, e con questi dati si ottiene una
velocità media di 13.2 cm/ns [231/(35/2)]. Questa è esattamente la velocità calcolata nel test del muro (tabella 3), che conferma la correlazione dell’unità 8 e anche la velocità in superficie calcolata nel test
della barra. Questa serie di test stratigrafici producono un alto grado di
confidenza (riducono cioè l’errore nel calcolo della profondità), almeno nell’area del sito dove gli stessi test vennero fatti. Usando queste
misure di velocità si può calcolare, attraverso l’equazione 1, la RDP
media per il materiale vulcanico di copertura e usarla per convertire il
tempo in profondità su tutte le linee acquisite nella griglia. E’ possibile che l’imposizione di una singola RDP, derivata dai test realizzati su
una sola area del sito, su tutti i dati GPR acquisiti nelle griglie circostanti può produrre calcoli di profondità non proprio esatti se le condizioni del sottosuolo cambiano da un area all’altra. Per esempio, profondità più grandi della TBJ in alcune aree dovrebbero teoricamente
essere indice di una più alta saturazione d’acqua nel materiale vulcanico di copertura, dal momento che si abbassa il valore della velocità
media delle onde radar viaggianti nel materiale vulcanico stesso. La
TBJ dovrebbe perciò apparire nei profili GPR meno profonda (più superficiale) perché viene assunta una velocità media più alta (e una più
bassa RDP) di quella reale. In maniera opposta aree dove la TBJ è collocata più in alto rispetto alla posizione paleotopografica media dovrebbero avere meno materiale vulcanico di copertura e corrispondentemente più bassa saturazione d’acqua. Una più geograficamente dispersa individuazione della velocità dovrebbe permettere una più accurata conversione tempo – profondità da una parte all’altra dell’area
e risolvere questi problemi. Senza tali accorgimenti, i problemi legati
alle potenziali velocità devono essere accettati come parte inerente agli errori nel metodo GPR.
IL METODO DELL’ONDA DIRETTA
Sebbene non sia accurato come il metodo dell’onda riflessa, la tecnica dell’onda diretta fornisce un modo addizionale per determinare
la velocità dell’onda radar in campagna. In questi tipi di test le due antenne vengono poste ai lati del materiale da testare. Un antenna trasmette all’altra e la misura del tempo di trasmissione tra le due è diret-
110
Capitolo VI
ta (metodo in trasmissione). Se si conosce la distanza tra le due antenne possiamo calcolare la velocità. Ciò può generalmente essere fatto
solo se il materiale è affiorante o inserito tra due scavi vicini. Per fare
questi test l’antenna trasmittente è piazzata lungo la faccia esposta, del
materiale da testare, in uno scavo, mentre l’antenna ricevente è posizionato in punti opposti ad essa. In questo modo l’energia radar è diretta lungo una linea retta dall’antenna trasmittente all’antenna ricevente poste a distanza che può essere misurata. Questo metodo per la
misura della velocità non è comunemente utilizzato in archeologia ma
è stato usato con successo per testare l’integrità dei pilastri di cemento
o pietra (Bernabini et al. 1994). Altri tipi simili di test per la misura di
velocità sono il Common MidPoint (CMP) (Punto Medio Comune)
(Fisher et al. 1994; Malagodi et al. 1994; Tillard and Dubois 1995),
Radar Surface Arrival Detection (individuazione degli arrivi radar in
superficie) (Hanniner et al. 1992) o Wide Angle Reflection and Refraction (WARR) (Rifrazione e Riflessione a Grande Angolo) (Imai et
al. 1887; Milligan and Atkin 1993). In questi tipi di test le due antenne
vengono posizionate sulla superficie del terreno ad una certa distanza
separate da un punto comune e vengono mosse insieme o separatamente. L’energia radar mandata da un antenna passerà attraverso l’aria
e nello strato vicino alla superficie e ricevuta dall’altra. Se la distanza
di separazione è conosciuta e il percorso dell’onda radar può essere
dedotto, possono essere misurati i tempi di arrivo delle onde e può essere fatta una serie di misure di velocità nei differenti strati. In entrambi i test, trasmissione e CMP, viene misurato il tempo di viaggio.
Le due antenne, necessarie per condurre questi tipi di test, non necessariamente devono avere la stessa frequenza di centro banda perché
l’ampia larghezza di banda delle antenne a dipolo GPR, comunemente
usate, permetterà loro di comunicare. Per esempio, un antenna di frequenza di centro banda pari a 500 MHz che trasmette energia radar in
un range approssimativamente da 250 a 1000 MHz può essere usata
con una antenna da 300 MHz, il cui range in frequenza va da 150 a
600 MHz, perché le loro larghezze di banda si sovrappongono su un
largo range. Tuttavia è bene usare antenne che hanno frequenze di
centro banda il più vicino possibile. Un antenna da 80 MHz potrebbe,
in teoria, trasmettere a un antenna da 900 MHz, ma pochissimo
dell’energia trasmessa verrebbe ricevuta rispetto all’utilizzo di due antenne con frequenze di centro banda più vicine. Una coppia di antenne
già montate insieme per la regolare acquisizione GPR possono essere
usate per questi test senza separare fisicamente le due antenne stesse.
Analisi tempo-profondità
111
Quando questo viene fatto, solo un antenna è attiva in ogni unità, una
per mandare e l’altra per ricevere. Al fine di realizzare questi test bisogna utilizzare due cavi, uno per la trasmissione e uno per la ricezione, e un sistema GPR a due canali. Lo stesso tipo di configurazione
può anche essere fatta su un unità a canale singolo se viene utilizzato
un cavo che divida la linea della trasmittente dalla linea della ricevente in due cavi separati.
Il metodo in trasmissione: Questo metodo è applicabile alla taratura
dei siti archeologici perché, in genere, riusciamo a trovare due scavi
vicini dove la sezione del materiale da testare è esposta. Le facce degli
scavi o dell’affioramento dovrebbero essere possibilmente vicine e parallele. E’ bene che i test siano fatti subito dopo l’esposizione del materiale scavato in modo tale che ogni evaporazione artificiale o trasudamento di acqua lungo le facce non vari in modo significativo il contenuto d’acqua caratteristico del materiale. Due antenne, una per trasmettere e l’altra per ricevere, sono poi piazzate sulle pareti dei due
scavi, puntate una contro l’altra (figura 22).
Fig. 22: Schema del test in trasmissione. I tempi (t1-t7) furono misurati in
sette passi eseguiti lungo le due facce degli scavi, con il materiale da testare
in mezzo. Venne anche calcolato il tempo di arrivo dell’onda in aria che
viaggia intorno al top del materiale da testare per raggiungere l’antenna ricevente.
112
Capitolo VI
E’ importante che i due scavi siano separati di almeno 1.5 volte la
lunghezza d’onda della frequenza di centro banda dell’antenna usata
per trasmettere. Se essi sono più vicini di questo valore l’antenna ricevente può ritrovarsi dentro la zona di campo vicino dell’antenna trasmittente e può risultare difficile identificare il primo segnale ricevuto
nei profili acquisiti. Una serie di test può essere fatto partendo dalla
base degli scavi e muovendosi verso l’alto. Le due antenne possono
essere mosse verso l’alto entrambe per punti o in modo continuo. Se
esse vengono mosse in modo continuo bisogna fare attenzione a tenere
le antenne a distanze separate conosciute e ad altezze dalla base degli
scavi conosciute. Se le antenne vengono mosse per punti è importante
che ogni antenna si muova della stessa distanza dal vertice o fondo
delle facce esposte così che la distanza tra le due sia conosciuta. Se le
pareti degli scavi hanno una certa inclinazione (non sono cioè paralleli) bisogna effettuare una serie di misure di distanze con lo scopo di
arrivare alla esatta separazione tra le antenne. Quando il materiale da
testare è altamente stratigrafico è importante che il campo elettrico
generato dall’antenna a dipolo sia orientato parallelo alla base della
stratificazione. Per fare questo l’asse lungo delle antenne deve essere
perpendicolare al piano della base. In questo modo la parte elettrica
del campo elettromagnetico vibrerà parallelamente agli strati e ci sarà
il massimo isolamento delle onde radar in ogni strato. Il cono di illuminazione allungato dell’antenna radar può, tuttavia, trasmettere energia radar negli strati adiacenti indipendentemente dall’orientazione
delle antenne. Se il materiale da testare è abbastanza omogeneo e non
stratificato, l’orientazione delle antenne non ha importanza, è importante orientare le antenne nella stessa direzione in modo tale che ci sia
la massima comunicazione tra loro. Questo metodo venne utilizzato
nel sito di Ceren in un punto dove una sezione di cenere vulcanica era
esposta tra due scavi (figura 22). Le otto differenti unità e la TBJ sepolta erano esposti lungo i lati degli scavi e furono illuminati in sette
punti dalla base verso l’alto. Un antenna da 500 MHz venne messa da
un lato dello scavo e una da 300 MHz dall’altro lato, con la 500 MHz
usata come trasmittente e la 300 MHz come ricevente. La distanza orizzontale tra le due antenne al top del materiale vulcanico venne misurata essere di 2.6 m; a causa della pendenza delle pareti degli scavi,
la distanza alla base era di 2.8 m. Furono fatte sette “illuminazioni”
per punti dalla base verso l’alto. Il primo punto nel test trasmette le
onde radar attraverso la parete più bassa della cenere esposta e della
Analisi tempo-profondità
113
TBJ, che appare essere più umida delle unità sovrastanti. Sei test addizionali furono fatti, muovendo le antenne per punti all’interno di una
distanza di circa 30 cm dalla base. Le onde ricevute e le tracce rappresentative a ogni punto nel test è mostrato in figura 23.
Fig. 23: Arrivi delle onde del test in trasmissione. Si tratta delle tracce rappresentative che possono essere usate per misurare i tempi dei primi arrivi nei
sette passi mostrati in fig. 22. I primi arrivi dell’onda diretta sono identificati
da segmenti orizzontali su ogni traccia. I potenziali arrivi, calcolati, dell’onda
in aria sono mostrati da segmenti orizzontali cerchiati. Nei test 6 e 7, gli arrivi dell’onda in aria e di quella diretta sono coincidenti e perciò tempi non validi di trasmissione radar vennero misurati.
Nella scala di grigio è difficile misurare il tempo di arrivo della
prima riflessione in modo preciso, sebbene gli arrivi siano grossola-
114
Capitolo VI
namente visibili al primo cambio di colore nella scala. Nel misurare
più precisamente i primi arrivi gli scan più rappresentativi di ogni
punto vennero sovrapposti nel profilo, e il primo arrivo dell’onda venne misurato esattamente usando un programma di visualizzazione delle tracce (Powers and Olhoeft 1994). Il primo arrivo in questi scan è
generalmente identificabile come il primo cambio significativo in ampiezza. Il periodo di piccola o nessuna risposta in ogni traccia è il
tempo che trascorre tra quando l’impulso è mandato dall’antenna trasmittente e quando esso è ricevuto all’antenna sull’altro lato del materiale esposto. Nei 5 punti più alti, vennero ricevute riflessioni di ampiezza più alta dopo il primo arrivo che può rappresentare gli arrivi
dell’onda in aria o nel terreno. Le onde in aria possono avere viaggiato
tra le due antenne, alla velocità della luce, da una faccia dello scavo
all'altra, sul top della parte esposta (figura 22). Al fine di determinare
quando un onda dovrebbe arrivare dall’aria, venne calcolato il tempo
di viaggio dell’onda radar usando la distanza in aria intorno al top della parte esposta per ogni test. Questi arrivi calcolati sono anche riportati sul profilo radar (figura 23). Nei due test più in alto, i primi arrivi
coincidono con gli arrivi dell’onda in aria (figura 23) indicando così
che sono onde in aria. Sfortunatamente ogni arrivo successivo che può
avere viaggiato attraverso il materiale è oscurato dall’ampia ampiezza
delle onde in aria. Per questa ragione i due test più in alto non sono
utilizzabili per il rilievo della velocità delle onde radar nel materiale
vulcanico. L’identificazione delle onde in aria che viaggiano tra le due
facce degli scavi illustrano l’importanza dell’uso di scavi abbastanza
profondi quando si conducono questi tipi di test. Se i test sono condotti troppo vicini alla superficie l’energia radar può diffondersi sul top o
intorno al materiale che deve essere testato, e i primi arrivi in tutti i
test possono essere solo onde in aria. E’ anche importante che la distanza tra le antenne sia presa a tutte le posizioni in modo tale da potere calcolare i possibili tempi di arrivo dell’onda in aria e posizionarli
sulla sezione. Conoscendo la separazione orizzontale tra le antenne e
il tempo di viaggio dell’energia radar tra le due antenne in ogni punto,
può anche essere calcolata la velocità (tabella 4). La permettività dielettrica relativa a ogni profondità può anche essere calcolata usando
l’equazione 1. Quando le misure di velocità, in ognuno dei sette punti,
vengono graficate in funzione della profondità delle antenne, si può
costruire un gradiente di velocità (figura 24).
Analisi tempo-profondità
115
Tab. 4: Risultati del test in trasmissione.
N test
Traccia
7
6
5
4
3
2
1
333
293
253
218
161
110
54
Profondità (cm)
25
52
79
104
124
144
164
Distanza
(cm)
260
260
265
270
275
280
280
Tempo
(ns)
9.3
12.0
15.0
24.3
24.5
34.0
46.0
Velocità
(cm/ns)
28.7
21.7
17.7
11.1
11.2
8.2
6.2
RDP
1.1
1.9
2.9
7.3
7.1
13.2
23.2
In questa figura, alla massima profondità nel terreno di 164 cm, la
velocità venne misurata essere pari a 6.2 cm/ns. Aumenta in modo lineare, con minore offset, a un massimo di 17.1 cm/ns 79 cm sotto il
top del materiale esposto al test 5. I valori di velocità derivati da questo test sono di grande importanza perché permettono di misurare un
gradiente di velocità in funzione della profondità, che non è generalmente possibile misurare con metodi diretti. Nel grafico di figura 24 la
velocità diminuisce in modo abbastanza costante con la profondità,
indice questo di un probabile aumento graduale della saturazione
d’acqua residua che è visibile come minori cambi in tono nella sezione esposta. Un minor cambio nel gradiente di velocità a 100 cm può
indicare un cambio di velocità tra la cenere vulcanica nelle unità 4 e 5,
dovuta probabilmente a una minore porosità e differente saturazione
d’acqua in questi strati. Se i cambi di velocità possono essere correlati
con la litologia o altri cambi nel materiale, essi possono dare importanti informazioni quando si interpretano i profili. E’ sempre importante comprendere le origini delle riflessioni quando si tenta di capire i
dati GPR da ogni sito.
Poiché tutte le riflessioni sono generate da cambi di velocità, il test
in trasmissione è uno dei migliori metodi con cui comprendere queste
variazioni e possibilmente correlarle a unità conosciute. I dati ottenuti
da questi test dovrebbero, tuttavia, essere usati con cautela perché il
percorso dell’onda radar nel materiale testato può non essere conosciuto con sicurezza. Le onde radar tenderanno a viaggiare preferibilmente dentro il materiale a più alta velocità, e il tempo del primo, arrivo usato per calcolare la velocità, può essere quello del materiale più
veloce, non necessariamente il materiale della profondità a cui le antenne sono posizionate. Se le antenne sono posizionate direttamente su
116
Capitolo VI
uno strato esposto che è più lento di quelli confinanti, le onde radar
possono viaggiare preferibilmente negli strati più veloci circostanti
lungo un percorso indiretto. Ogni vero arrivo che può essere stato ricevuto da onde che viaggiano attraverso lo strato a più alta velocità
dovrebbe essere soppresso, oscurato o altrimenti irriconoscibile nelle
tracce risultanti.
Fig. 24: Profilo di velocità derivato dai dati del test in trasmissione. La velocità decresce linearmente con la profondità. La minore deflessione a 100 cm
(T4) indica una possibile superficie di discontinuità di velocità. Gli arrivi misurati a T6 e T7 possono rappresentare gli arrivi dell’onda in aria, perciò non
possono essere usati per calcolare la velocità nel materiale testato.
Analisi tempo-profondità
117
I test in trasmissione dovrebbero essere sempre fatti in contemporanea con i test dell’onda diretta su oggetti a profondità conosciute.
La combinazione di entrambi i tipi di dati di consente di ottenere la
misura di un valore medio di velocità così come un gradiente di velocità funzione della profondità. Questi dati possono essere molto importanti quando si realizzano i modelli sintetici e quando si correlano
unità nel sottosuolo visibili negli scavi alle riflessioni nei profili.
Il test CMP (Common Mid – Point – punto medio comune): Uno dei
più semplici e veloci test di velocità che può essere fatto in situ è il
CMP perché non sono necessari scavi. E’ simile a quelli visti precedentemente in quanto l’energia radar è trasmessa da un antenna
all’altra, ma in questo caso le antenne sono collocate sulla superficie
del terreno. Il CMP viene eseguito posizionando le due antenne l’una
di fronte all’altra. Le due antenne vengono poi spostate in direzioni
opposte lungo una linea retta e per punti in modo tale da tenere sempre sotto controllo la loro distanza. Viene quindi effettuata una serie di
misure di tempi di viaggio dell’onda radar che, con la conoscenza del
percorso effettuato nel terreno da quest’ultima, portano alla misura
della velocità degli strati più superficiali. In ogni sito può essere eseguito un certo numero di test di questo tipo per ottenere una distribuzione spaziale delle velocità in una griglia. Ci sono un certo numero di
variazioni che possono essere fatte all’interno dei test CMP, tutte basate sulle stesse premesse. Una variazione prevede di tenere
un’antenna fissa mentre l’altra è tirata lontano.
I dati di questo tipo di test possono essere usati allo stesso modo di
quelli derivati da un CMP standard; questo tipo di test è comunemente
impiegato quando è disponibile una sola persona per tirare l’antenna.
Un altro test tiene costante la distanza di separazione quando le antenne sono mosse da punto a punto sulla superficie del terreno (Grasmueck 1994). Se in un sito viene condotto un numero sufficiente di
questi test avremo a disposizione dati che permetteranno di ottenere
una mappa dei cambi di velocità vicino alla superficie del terreno
all’interno della griglia GPR. I dati di un CMP sono visualizzati nei
profili standard GPR con la distanza orizzontale tra le antenne
sull’asse orizzontale e il tempo sull’asse verticale (figura 25).
La prima onda registrata, appena le antenne vengono mosse, è
l’onda in aria. Idealmente essa è registrata a tempo zero quando la distanza tra le due antenne è zero. Il secondo arrivo è l’onda che viaggia
nel terreno lungo l’interfaccia aria – terreno. Il terzo arrivo e ogni ar-
118
Capitolo VI
rivo successivo sono generalmente onde riflesse o multiple o onde rifratte derivate da interfacce nel sottosuolo. In tutti i casi i test CMP
possono misurare solo velocità di terreni o altro materiale che è collocato molto vicino alla superficie. Essi non dovrebbero essere visti come un modo di determinare la velocità a ogni profondità a meno che
non sia possibile identificare l’effettivo percorso dell’onda.
Fig. 25: Tipo di test Common Mid-Point. In a) schema di acquisizione con i
vari tipi di onde; in b) sezione ottenuta.
Quando conduciamo un test tipo CMP, il metodo più diretto è quello di posizionare entrambe le antenne l’una di fronte all’altra sul terreno. Gli impulsi radar sono poi mandati dall’antenna trasmittente
all’antenna ricevente, e la time window è regolata in modo tale che il
Analisi tempo-profondità
119
primo arrivo venga registrato a tempo zero. Questa regolazione del
primo arrivo a tempo zero non è effettivamente corretta perché ci sarà
una piccola quantità di tempo di viaggio tra le due antenne dipendente
dalla distanza di separazione dei due piatti di rame collocati dentro le
rispettive slitte; ma questa piccola differenza di tempo è generalmente
non significativa. Man mano che le antenne vengono separate
l’energia radar continuerà a viaggiare in aria tra loro, come anche lungo la superficie del terreno e dentro lo strato vicino alla superficie (figura 25). L’onda nel terreno dovrebbe intersecare l’onda in aria al
tempo zero sul profilo radar. Altre onde radar che viaggiano più in
profondità nel terreno possono essere rifratte dalle unità stratigrafiche
e qualche volta riflesse tra gli strati del sottosuolo prima di arrivare
all’antenna ricevente, creando quella che può essere una confusa serie
di riflessioni. Questi arrivi successivi possono essere differenziati dalle onde nel terreno e quelle in aria perché i loro arrivi non intersecano
gli altri. Al fine di utilizzare questi profili per calcolare la velocità degli strati vicino la superficie è necessario conoscere la massima distanza di separazione tra le antenne. Questa distanza può essere direttamente misurata sul terreno con un nastro misuratore o con dei
marker che possono essere posizionati periodicamente sulla registrazione a distanze conosciute man mano che le antenne vengono separate. Se la massima distanza di separazione non è misurata direttamente,
essa può anche essere calcolata usando l’equazione1. Come esempio,
in figura 26, viene mostrato un test eseguito nel sito Ceren.
In questo test l’antenna trasmittente venne mantenuta fissa mentre
l’antenna ricevente venne mossa. La massima distanza di separazione
non venne misurata e l’asse orizzontale è perciò visualizzato solo come numero di tracce delle onde registrate. Alla massima separazione
(traccia n. 300) l’onda in aria è registrata a 13 ns.
Sapendo che la permettività dielettrica relativa dell’aria è approssimativamente 1, possiamo calcolare la distanza di separazione tra le
antenne come segue:
1
0.2998 ˜ 13
dis tan za
da cui
dis tan za
0.2998 ˜ 13
1
3.9
Capitolo VI
120
La massima distanza di separazione è perciò 3.9 m.
Questo stesso calcolo può essere fatto per il secondo maggiore arrivo sulla sezione che è l’onda nel terreno. Il suo arrivo alla massima
distanza di separazione è 31 ns sul lato destro della sezione. Da qui,
conoscendo già la distanza massima di separazione tra le due antenne
calcolata prima, possiamo calcolare la RDP usando l’equazione:
k
0.2998 ˜ 31
3.9
5.7
Fig. 26: Sezione radar ottenuta dai test CMP realizzati al sito Ceren. Le onde
in aria e nel terreno sono riconoscibili come prime due distinte riflessioni che
si intersecano in t=0.
Analisi tempo-profondità
121
Nel risultato del test mostrato in figura 26 si notano un certo numero di riflessioni dopo il secondo evento che possono essere correlate a
onde riflesse o rifratte che viaggiano più in profondità nel terreno. I
percorsi di viaggio di questi arrivi successivi e la distanza percorsa
dalle onde non sono conosciuti, e perciò non sono possibili misure di
velocità di queste unità più profonde. E’ interessante che la RDP calcolata per l’onda nel terreno è più alta (e perciò la velocità più bassa)
di quella calcolata con il test della barra (tabella 3) realizzato poco prima di quest’ultimo test. Questo può succedere perché l’onda viaggia
quasi esclusivamente dentro la superficie del terreno che contiene una
più alta quantità di materiale organico rispetto alla sottostante unità
vulcanica. Dovuto al materiale organico che aumenta la tenuta
d’acqua, la supeficie dei terreni dovrebbe trattenere più umidità, provocando un abbassamento della velocità media ed un aumento della
RDP.
MISURE DI LABORATORIO
In molti siti archeologici, possono essere raccolti campioni di sottosuolo che vengono poi trattati in laboratorio per la determinazione
della RDP, della conduttività elettrica e della permeabilità magnetica.
Queste misure possono poi essere usate per stimare la velocità e l'attenuazione del segnale per quel sito. Questi dati sono anche utilizzabili
per la costruzione di modelli sintetici. Se i campioni di terreno sono
raccolti e immediatamente immagazzinati in contenitori a tenuta d'acqua, possono essere considerati con le stesse condizioni naturali approssimanti il sito. In realtà, tuttavia, ogni raccolta e trasporto di campioni modificherà la porosità, il riempimento dei grani e la saturazione
d’acqua del materiale, così le condizioni naturali del sito non possono
mai essere perfettamente duplicate. Ci sono solo pochi dispositivi che
possono fare questi tipi di misure in laboratorio. Un modo per determinare le proprietà elettriche e magnetiche è quello di usare le tecniche descritte da Kutrubes (1986), Olhoeft e Capron (1993). Nei loro
test, i campioni sono prima asciugati, schiacciati e soggetti a energia
elettromagnetica a diverse frequenze. Misure di RDP, conduttività e
permettività magnetica possono poi essere fatte quando i campioni sono totalmente asciutti e a differenti saturazioni d’acqua. I cambi di saturazione d’acqua possono essere simulati bagnando progressivamente
i campioni con acqua distillata con l’utilizzo di un gocciolatore. C’è
un pericolo nell’uso dei dati di questi tipi di test di laboratorio perché
122
Capitolo VI
ci sono molti cambi nel materiale che influenzano il contenuto dei
grani e la porosità durante i test stessi (Olhoeft 1986). Anche quando
l’acqua viene messa artificialmente nel campione che è stato disseccato in laboratorio vengono create condizioni diverse da quelle di campagna. I dispositivi che misurano le proprietà elettromagnetiche dei
campioni tendono anche ad immettere nel campione stesso più energia
di quella che verrebbe immessa in una normale campagna di misure
sul sito, dove attenuazione e dispersione sono comuni. Al fine di testare l’applicabilità dell’uso dei test di laboratorio per misurare la RDP,
nel sito Ceren i campioni vennero raccolti da dieci differenti unità di
cenere vulcanica (Conyers 1995a). Queste unità variano da grani grossolani, pomice decaduta d’aria a grani fini di cenere in movimento. La
composizione chimica di tutte e dieci le unità era simile (Miller 1989).
Tutti i campioni furono prima essiccati e poi vennero simulate differenti saturazioni d’acqua, usando tre gocciolatoi di acqua distillata per
simulare condizioni di campioni parzialmente saturati; i test furono
anche fatti dopo che i campioni furono completamente saturati.
I risultati di queste misure in laboratorio indicavano che tutte le unità vulcaniche hanno RDP simili quando le loro saturazioni d’acqua
sono le stesse (tabella 5). Questo è quanto ci si aspettava perché queste unità sono state riconosciute essere mineralogicamente simili e sono state derivate tutte dalla stessa sorgente di magma (Miller 1989).
Le loro RDP aumentano drasticamente con la saturazione d’acqua,
ma con piccole differenze notevoli tra le unità. Queste differenze sono
funzioni probabilmente di minori differenze nella quantità d’acqua
immessa nei campioni prima del test. Le misure di laboratorio indicano che le riflessioni visibili nei profili a 300 e 500 MHz (figura 21)
erano probabilmente generate dal basamento dove esiste una discontinuità di velocità dovuta al cambio di minore saturazione d’acqua controllato dalla differente porosità. Lineamenti non significativi del basamento, tuttavia, erano visibili come riflessioni nei dati a 80 MHz a
causa dei piccoli spessori dei basamenti e della mancata risoluzione
associata all’antenna di questa frequenza (figura 15). Un approccio interessante alle misure di laboratorio venne fatto da Sternberg e Mc
Gill (1995) in Arizona. Ai loro siti, vennero analizzati costituenti mineralogici e saturazione d’acqua di campioni dal sottosuolo di dimensioni di particella. Questi sedimenti furono poi comparati con le tabelle pubblicate contenenti proprietà elettriche e magnetiche di materiali
geologici simili (Olhoeft 1986).
Analisi tempo-profondità
123
Tab. 5: Misure di laboratorio della RDP su campioni al variare della saturazione in acqua.
Unità
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Media
Deviazione
standard
RDP
Asciutto
2.974
2.919
3.090
2.784
3.009
3.150
3.295
2.910
2.732
3.004
2.991
0.159
RDP
RDP
Parzialmente sa- Totalmente satuturo
ro
5.113
4.759
20.586
4.836
20.834
4.662
23.206
5.187
23.680
4.946
21.309
4.869
18.309
5.269
19.131
4.264
20.747
4.786
30.030
4.867
20.848
0.275
1.485
La RDP e la velocità furono poi stimate e i tempi di viaggio delle
onde radar furono convertiti in profondità approssimata usando i metodi già descritti. Sterberg e McGill potettero così stimare la velocità
senza avere realizzato misure in laboratorio delle proprietà geofisiche
dei loro mezzi.
CONCLUSIONI SULL’ANALISI DI VELOCITA’
Molti test accurati di velocità sono quelli fatti in campagna che misurano direttamente i tempi di viaggio delle onde radar riflesse da oggetti posti a profondità conosciute. L’oggetto da risolvere dovrebbe
essere, se possibile, metallo al fine di massimizzare l’ampiezza delle
onde riflesse. Se possibile, uno o più scavi di test dovrebbero essere
fatti dentro o vicino alla griglia GPR preposta a profondità necessarie
per testare la velocità di tutti i materiali che saranno potenzialmente
studiati. A profondità più grandi di pochi metri, barre di ferro o altri
oggetti relativamente piccoli possono non essere visibili, e oggetti più
larghi, come strutture sepolte tipo muro usato come bersaglio nel test,
invece lo sono. Quando oggetti di questo tipo non sono utilizzabili,
può essere possibile integrare misure di velocità superficiali con test di
correlazione stratigrafica per arrivare a valori di velocità più in pro-
124
Capitolo VI
fondità. Senza questi tipi di test la correlazione di importanti stratigrafie o strati culturali a riflessioni saranno sempre afflitte da dubbi. Se
sono utilizzabili due o più scavi vicini può essere fatto il test della trasmissione. I dati di velocità raccolti da questi tipi di test possono produrre curve di gradiente di velocità che possono delineare le interfacce
nel sottosuolo più probabili per riflettere energia radar. Se non sono
utilizzabili scavi, possiamo stimare la velocità a profondità relativamente basse con l’utilizzo del CMP. Questi test possono essere usati
per stimare la velocità vicino alla superficie e non sono molto attendibili per la stima della velocità a profondità maggiori di qualche centimetro nel terreno. E’ importante comprendere il fatto che i dati ottenuti dai test di velocità sono utili solo per i profili radar acquisiti nello
stesso periodo. Le condizioni del terreno possono cambiare con le stagioni o a causa di altri fattori come forti acquazzoni o nevicate, e la
velocità radar nel sottosuolo può cambiare di conseguenza. Mancando
i test di velocità o di ogni genere in situ, possono essere utilizzati i
campioni di materiale raccolti in situ che possono essere analizzati in
laboratorio o comparati con le tabelle esistenti in letteratura per ottenere le proprietà elettriche e magnetiche. Questi dati possono essere
usati per dare una stima approssimativa della RDP da cui può essere
calcolata la velocità, se non sono utilizzabili altre informazioni. Se i
campioni sono immagazzinati in contenitori a tenuta d’acqua subito
dopo essere stati raccolti in campagna, la misura in laboratorio può essere più accurata.
Tutti o alcuni dei sopra citati test di velocità dovrebbero essere realizzati in modo automatico durante i rilievi GPR. Per la maggior parte
essi non sono difficoltosi, non impegnano molto tempo e potranno
fornire le informazioni sulla trasformazione tempo-profondità che sono necessarie al fine dell’elaborazione dei dati GPR grezzi. Le riflessioni registrate e interpretate con l’utilizzo dell’asse dei tempi possono
essere usate solo come una stima grezza della profondità senza
l’accurata conversione tempo-profondità. Senza la diretta correlazione
con la stratigrafia conosciuta e con i lineamenti archeologici usando i
profili corretti per la profondità, mai potremo conoscere con certezza
cosa stiamo mappando con i dati GPR.
CAPITOLO VII
L’USO DEI DATI GPR PER MAPPARE SUPERFICI SEPOLTE
E LINEAMENTI DI INTERESSE ARCHEOLOGICO
In aree dove le riflessioni sono ben definite, nei profili GPR, è possibile collocare su mappa in modo dettagliato superfici e strutture di
interesse archeologico nel sottosuolo. Prima di fare ciò, si deve conoscere la genesi delle riflessioni in modo tale da poter costruire mappe
significative. Questo processo, che coinvolge la correlazione di riflessioni, può essere accompagnato dall’utilizzo degli studi relativi
all’analisi tempo – profondità discussi nel capitolo VI e con l’aiuto dei
modelli sintetici discussi nel capitolo V. Una volta individuate le riflessioni nei profili essi possono essere correlati (manualmente o con
l’aiuto di un computer) da profilo a profilo dentro una griglia e tra le
griglie in un area. Se la velocità è nota e le correzioni topografiche sono state fatte, possono essere realizzate mappe accurate che definiscono zone di interesse archeologico, o modifiche antropiche dei paesaggi, (Imai et al. 1987; Milligan and Atkin 1993).
RICOSTRUZIONE DI PAESAGGI ANTICHI
La correlazione standard manuale dei dati GPR e la tecnica di mappatura paleotopografica vennero usate per definire l’antica superficie
di calpestio sepolta nel sito Ceren in El Salvador (Conyers 1995b). In
questo sito l’antica superficie di calpestio, discussa nel capitolo VI, è
ora sepolta da materiale vulcanico, che preserva il paesaggio del sesto
secolo, ad una profondità che varia da due a sei metri. La superficie
sepolta venne inizialmente definita nei profili GPR usando sia le analisi di velocità (figura 21) che i modelli sintetici realizzati al computer
(Inserto 2a). Essa venne poi correlata in tutti i profili GPR e fu realizzata una mappa che evidenziava la topografia sepolta. In questi studi
furono utilizzati dati GPR relativi a due distinte campagne di acquisizione. Il primo rilievo GPR nel sito Ceren fu condotto nel 1979 con
l’integrazione di un certo numero di altri test geofisici sperimentali
(Loker 1983). Venne eseguita una griglia iniziale, chiamata griglia 1,
con una copertura approssimativa di un area di 100x100 m2, con una
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Capitolo VII
distanza tra i vari profili di 5 m (figura 27). Venne utilizzata un antenna da 80 MHz e un sistema GPR analogico. Questo fu uno dei primi
rilievi GPR condotto su larga scala nell’esplorazione archeologica
(Sheets et al. 1985). Nel 1984 furono eseguite delle griglie addizionali
con l’utilizzo di antenne da 300 MHz e un sistema digitale (griglie 3, 4
e 5); queste sovrappongono, e in alcuni casi estendono, la griglia 1. I
dati della vecchia campagna del 1979 con l’antenna da 80 MHz e raccolti analogicamente su un nastro magnetico furono digitalizzati e trattati al computer prima dell’interpretazione. Dentro le quattro griglie
furono interpretati un totale di 7600 m profili GPR.
INTERPRETAZIONE DEI DATI
Il top dell’antica superficie di calpestio (la TBJ) è la più importante
interfaccia geologica da individuare con il GPR in questo sito in quanto era la superficie dove la gente ha vissuto prima della sepoltura sotto
la polvere vulcanica. Durante l’interpretazione del profilo radar, il riflettore TBJ, prima identificato lungo la linea dei test stratigrafici discussi nel capitolo VI (figura 22), fu colorato a mano su ogni sezione,
e la sua quota, in metri, sul livello del mare compilata ogni 1.25 m.
Questo riflettore fu visivamente correlato linea per linea da una parte
all’altra di tutte le griglie GPR e direttamente comparato con ogni altra linea trasversale intersecante le prime per assicurarsi della consistenza dell’interpretazione. La quota del sottosuolo lungo ogni profilo
fu poi riportata sulla mappa della griglia e delimitata, sia a mano che
con l’aiuto di un computer, per rilevare la topografia tridimensionale
della TBJ sepolta (figura 28).
La natura dell’alta ampiezza del riflettore TBJ è ampiamente consistente dentro e tra le griglie, come predetto dai modelli sintetici discussi nel capitolo V (Inserto 2a). Molte volte, tuttavia, il riflettore
TBJ esibisce variazioni in ampiezza che sono probabilmente in relazione con le modifiche antropiche sulla superficie del TBJ, attenuazione con la profondità o cambi in focalizzazione dovuti alla geometria del basamento (es. figura 21). In alcuni dei profili GPR con antenne da 80 MHz nella griglia 1, la TBJ si nota dentro i primi 2.5 m o
meno dalla superficie del terreno. Sopra 2.5 m, il riflettore TBJ era
parzialmente o completamente oscurato nella zona di campo vicino
(figura 13).
Mappatura di superfici sepolte e lineamenti archeologici
127
Fig. 27: Mappa delle griglie GPR al sito Ceren, El Salvador. I dati GPR nella
griglia 1 vennero acquisiti nel 1979 usando la sola antenna da 80 MHz. I dati
delle griglie 3, 4 e 5 vennero acquisiti nel 1994 usando la coppia di antenne
da 300 MHz. Sono indicati gli scavi archeologici e le strutture poste dentro
essi.
La quota del sottosuolo in queste aree potrebbe non essere completa, e la porzione di queste linee, dove questo si verifica, è più alta (in
quota). Questo non rappresentò un problema nelle griglie acquisite
con le antenne da 300 MHz che hanno una zona di campo vicino meno profonda; la riflessione della TBJ in questo caso era ben visibile e
facilmente correlabile in tutte le linee (per es. figura 18).
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Capitolo VII
Fig. 28: Mappa paleotopografica della TBJ antica superficie di calpestio, sito
di Ceren, El Salvador. La collocazione delle griglie è quella di figura 27. I
contours sono in metri sul livello del mare, con un intervallo di un metro.
Mappatura di superfici sepolte e lineamenti archeologici
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IDENTIFICAZIONE DELLA STRUTTURA SEPOLTA
Tutte le riflessioni da punti sorgente, che possono denotare strutture sepolte o altre anomalie nel sottosuolo, vennero registrate sulla
mappa di base durante l’interpretazione del profilo. Come dimostrato
nel modello sintetico (Inserto 2a), le riflessioni di punti sorgente derivano probabilmente dal top di strutture di forma piatta tipo muri o colonne. Quando è visibile l’accoppiata di riflessioni da punti sorgente,
l’intersezione delle due riflessioni denota la possibile collocazione del
piano della struttura sepolta. A causa della mancata risoluzione del
sottosuolo dei dati a 80 MHz, fu difficile differenziare la riflessione
della TBJ dalle riflessioni orizzontali derivate dai top di piani di strutture. Dove non oscurate, nella zona di campo vicino, le possibili riflessioni da piani di argilla furono più volte individuate solo grazie ad
un aumento dell’ampiezza della riflessione dalla TBJ. Questo aumento
di ampiezza venne causato da un grande contrasto di velocità tra la
superficie compatta di argilla del tetto della struttura e il materiale vulcanico sovrastante come predetto nel modello sintetico (Inserto 2a).
L’improvvisa diminuzione della velocità dell’energia radar
all’interfaccia produce un alto coefficiente di riflessione che causa
l’ampia ampiezza delle riflessioni stesse. I dati a 300 MHz, con risoluzione più grande, erano in grado di mettere in evidenza sottili cambi
di quota della superficie TBJ da 20 a 25 cm. L’aumento in ampiezza
delle riflessioni derivate dai tetti di argilla delle case era anche visibile
(figura 18) in modo simile a quello dei dati a 80 MHz. La stratigrafia
dell’unità vulcanica sovrastante è prontamente visibile nei profili a
300 MHz (figura 18), ma è totalmente invisibile nei profili a 80 MHz
a causa della bassa risoluzione del sottile basamento con questa antenna a bassa frequenza. Come dimostrato nei test stratigrafici (figura 21)
si hanno riflessioni di bassa ampiezza al confine con il basamento dove un cambio minore nella saturazione d’acqua causa minori cambi
nella velocità che produce le riflessioni. Il basamento vulcanico visibile nei profili esibisce un pronunciato drappeggio sulle strutture sovrastanti, un fenomeno di routine documentato durante gli scavi archeologici (Miller 1989). Questo drappeggio è accentuato da muri o colonne che producono dune di cenere intorno ad essi (per es. figura 20).
Riflessioni distinte da punto sorgente con apici sopra i tetti di strutture
di argilla si hanno sui dati acquisiti con le antenne da 300 MHz (figura
18). Gli apici di queste riflessioni sono più piccoli di un metro sopra la
superficie del tetto di argilla, simili all’altezza di molte colonne in al-
130
Capitolo VII
cune strutture scavate (Kievit 1994). E’ probabile che queste riflessioni siano riconducibili ai top o lati di colonne o muri, come previsto nei
modelli sintetici bidimensionali (Inserto 2a). Riflessioni da punto sorgente dai tetti di argilla si hanno anche, ma sono meno comuni, nei dati a 80 MHz. Essi non vennero registrati più lontano di un metro circa
dalle fondamenta di argilla da cui furono generati. Questo perché il
raggio di emissione dell’onda radar dell’antenna da 300 MHz è più
sottile (figura 6) ed è così incapace di vedere l’anomalia a distanza,
cioè in avanti o indietro rispetto alla collocazione della superficie
dell’antenna come nei dati a 80 MHz, creando una piccola e distinta
iperbole da punto sorgente.
MAPPE PALEOTOPOGRAFICHE
L’individuazione della superficie della TBJ e la collocazione su
mappa di strutture costruite sopra essa venne ottenuta dalla costruzione di mappe paleotopografiche del paesaggio sepolto e
dall’identificazione di anomalie radar che furono generate da strutture
sepolte. Al fine di costruire mappe della topografia sepolta, più di
3000 punti, che consistono in valori rappresentanti la quota della superficie della TBJ nel sottosuolo (o quello che appare essere la TBJ
ma può essere stato il top dei tetti di strutture sepolte), vennero riportati su una mappa di base mostrata in figura 27. Questi dati del sottosuolo vennero poi posizionati a mano con un intervallo di posizionamento di 1 m. La mappa risultante rappresenta la topografia della TBJ
prima dell’eruzione del vicino vulcano (figura 28). Tutte le collocazioni delle strutture, come definite durante gli scavi archeologici o
come definite dalle iperboli dei punti sorgente nei profili GPR, vennero anche riportati nella mappa dell’area (figura 29).
PERCORSI ANTICHI DI DRENAGGIO E TOPOGRAFIA
La fisionomia più impressionante della superficie TBJ sepolta è la
variazione nella topografia del sito e il groviglio del percorso di drenaggio sepolto. La più alta quota della superficie della TBJ, nella porzione sud ovest dell’area del rilievo (figura 27), venne misurata essere
448.45 m sul livello del mare. La quota più bassa, dove la TBJ potrebbe essere direttamente misurata usando il GPR, è nella porzione ovest
dell’area del rilievo, pari a 437.7 m sul livello del mare.
Mappatura di superfici sepolte e lineamenti archeologici
131
Fig.29: Collocazione delle strutture costruite sulla TBJ (str sta per struttura) e
altri lineamenti visibili sui profili GPR del sito Ceren, EL SALVADOR. Le
strutture vennero identificate dalle riflessioni di forma iperbolica derivanti da
un punto sorgente e dai cambi in ampiezza nelle riflessioni dal TBJ dove le
strutture erano collocate, come modellato nei modelli sintetici bidimensionali
mostrati nella Inserto 2.
132
Capitolo VII
Il range totale di quota nell’area riportata su mappa è 10.75 m. In
generale il paesaggio, prima dell’eruzione vulcanica, consisteva di una
piccola valle allungata collocata nella porzione centro ovest della griglia 1, circondata da piccoli promontori a nord e a est. Un graduale
pendio si eleva a sud verso l’alto fuori dalla valle a sud est, in definitiva formante una larga collina a sud. Strutture sepolte sono collocate
principalmente sulla parte nord del promontorio a picco e sulla parte
sud del pendio, altre strutture sono collocate sulla sottile topografia
che si eleva sul lato della valle centrale. Nell’area del rilievo più a sud
non sono state scoperte strutture. Nove dei palazzi parzialmente o totalmente scavati furono collocati sul pendio a nord. La maggior parte
dei canali di drenaggio, localizzati dentro le griglie GPR, vanno da est
a ovest. In modo interessante, l’attuale superficie di drenaggio nella
stessa area va nella direzione opposta, probabilmente a causa del deposito della sottile e cuneiforme massa di materiale vulcanico a nord e
a ovest del sito durante l’eruzione che seppellì il sito stesso. Tutta la
superficie dello scorrimento dell’acqua fu poi invertita in direzione. I
dati a 300 MHz sono in grado di risolvere canali sepolti a circa 50 cm
o meno di profondità, mentre sono visibili solo i canali di drenaggio
più larghi sui profili a 80 MHz. I canali di drenaggio visibili sui profili
a 80 MHz hanno una profondità massima di circa 1.5 m e in alcune
aree erano di 2 m o più ampi. Numerose piccole depressioni vicine,
che sono circondate da piccole collinette nella valle centrale, possono
essere state causate da operazioni di estrazione di argilla (figura 29).
Le piccole colline vicino a loro possono essere mucchi di argilla che
sono stati scavati, ma non trasportati al sito delle costruzioni. Tutte le
costruzioni scavate nel sito erano in argilla, e grandi quantità di argilla
erano comunemente usate come materiale superficiale per patios e
piazze (Kievit 1994; Sheets 1992).
MAPPE TRIDIMENSIONALI GENERATE AL COMPUTER
Un totale di 25 strutture vennero identificate usando i dati acquisiti
sia con la 80 MHz che con la 300 MHz. Nove delle strutture definite
dal GPR sono state confermate dagli scavi. Solo una struttura rinvenuta dagli scavi archeologici non era stata individuata nei profili GPR
(struttura 9). E’ una stanza da bagno umida con tetto a forma di cupola
parzialmente collassato. Il top del tetto si estendeva per più di un metro e una metà di esso era nel materiale vulcanico sovrastante, disposto
nella zona di campo vicino dell’antenna da 80 MHz, che può averlo
Mappatura di superfici sepolte e lineamenti archeologici
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oscurato nei profili. In aggiunta la forma a cupola del tetto probabilmente disperde l’energia radar (per es. figura 12) rendendo ogni riflessione radar da esso poco distinta. Questo è un esempio di come la geometria di una struttura sepolta e la sua profondità di sepoltura possano renderla invisibile in un rilievo GPR. Sulla parte sud del pendio
della valle posizionata su mappa si elevano delle strutture addizionali
sepolte visibili nei profili GPR (figura 29).
Tutte sono collocate sulla topografia in salita e sono separate da
ogni altra da numerosi canali che scorrono a nord nella valle centrale.
Al fine di produrre immagini del paesaggio antico, vennero create
immagini tridimensionali della TBJ al computer usando i dati del sottosuolo ottenuti dai profili in tutte le griglie. Per ogni punto furono
immessi nel computer tre valori (x, y e z). x e y erano la collocazione
della griglia in superficie, z l’elevazione del riflettore TBJ in metri sul
livello del mare. Tutti i valori x, y e z vennero trasferiti a un programma per la realizzazione di una mappa tridimensionale. Un immagine tridimensionale, illustrante tutti i lineamenti geografici visibili
sulla mappa paleotopografica, fu costruita per il sito (Inserto 2b). Il
programma usato per creare queste mappe applica un algoritmo aritmetico “minimum curvature” che crea una superficie di best fit dei
punti dati. Una volta posizionata su mappa la topografia sepolta e disegnata la collocazione delle strutture, fu prodotta una mappa tridimensionale digitale della topografia sepolta e delle strutture costruite
su essa. Fu poi costruita una serie di immagini che illustrano l’antico
villaggio come esso era prima di essere sepolto nel A.D. 590 circa (figura 30).
Usando tecniche di animazione al computer furono ricostruiti, con
diversi intrecci di colori per dare una vista più realistica dell’antico
villaggio rilevato dal GPR, il paesaggio, le strutture e gli alberi (Inserto 3a). L’integrazione delle mappe prodotte con il GPR e i dati archeologici derivanti dagli scavi dimostrano che la densità di popolazione
nel sito Ceren era piuttosto alta nel periodo dell’eruzione. La presenza
di una larga piazza centrale e il suo associato palazzo comunale indicano la presenza di molta gente che concepibilmente può avere vissuto
in case fortificate come fino ad ora provato dagli scavi e nei profili
GPR. L’estesa copertura GPR del Ceren ha identificato molte possibili
aree, terreni e strutture che sono inserite nei programmi di scavo per i
prossimi anni.
Fig. 30: Rappresentazione tridimensionale di una porzione delle griglie GPR nel sito Ceren. Le strutture e gli
alberi che sono stati scavati o sono visibili sui profili GPR, sono stati digitalmente modellati come figure a bastoncino. La vista è da nord-est, 35 gradi dall’orizzonte. Non ci sono esagerazioni verticali della topografia sepolta. (Cortesia di Fenton-Kerr Engineering).
134
Capitolo VII
Mappatura di superfici sepolte e lineamenti archeologici
135
A causa della loro profondità di sepoltura la scoperta di queste
strutture archeologiche è stata impossibile senza l’esplorazione GPR.
E’ da sottolineare solo l’importanza delle capacità della mappatura
GPR per dare conoscenze e nuove scoperte di lineamenti archeologici
all’interno del loro contesto paleogeografico. Siccome tutto il sito non
potrà mai essere scavato a causa sia dei costi che del problema della
conservazione molto di quello che impareremo sull’ambiente circostante le strutture scavate deve venire dalle mappe della topografia sepolta realizzate con il GPR.
CAPITOLO VIII
L’ANALISI DI AMPIEZZA NEGLI STUDI GPR
Il principale obiettivo di molti rilievi GPR in archeologia è identificare la dimensione, forma, profondità e collocazione dei resti culturali sepolti e la correlata stratigrafia. L’identificazione e la correlazione di riflessioni importanti nei profili bidimensionali sono parte essenziale dei molti modi diretti che accompagnano questa identificazione.
Queste riflessioni possono essere correlate da profilo a profilo da una
parte all’altra di una griglia, come descritto nel capitolo VII. Un altro
modo più sofisticato di trattamento dei dati GPR è l’analisi
dell’ampiezza, slice – map, che crea mappe dell’onda riflessa di diversa ampiezza nella griglia. Il risultato può essere una serie di mappe
che illustrano la collocazione tridimensionale delle anomalie derivate
da un analisi al computer di più profili bidimensionali. Questo metodo
di trattamento dei dati può solo essere realizzato con l’utilizzo di dati
GPR che sono immagazzinati digitalmente su un computer. I dati
grezzi acquisiti dal GPR sono poco più di una raccolta di tracce individuali lungo un tracciato bidimensionale nella griglia. Ognuna di
queste tracce contiene una serie di onde che variano in ampiezza in
modo dipendente dalla quantità e intensità di energia riflessa che si ha
alle interfacce sepolte. Quando queste tracce sono graficate in modo
sequenziale nei profili standard bidimensionali, le ampiezze specifiche
dentro le tracce individuali, che contengono importanti informazioni,
sono generalmente difficili da visualizzare e interpretare.
L’interpretazione standard dei dati GPR, che consiste nella visualizzazione di ogni profilo e poi nella collocazione su mappa delle riflessioni importanti e di altre anomalie, può essere sufficiente quando
l’archeologia e la geologia sono semplici e l’interpretazione è diretta.
In aree dove la stratigrafia è complessa e i lineamenti sepolti sono difficili da discernere, devono essere usati differenti metodi di trattamento e interpretazione e uno di questi è appunto l’analisi di ampiezza. Un
analisi della distribuzione spaziale delle ampiezze delle onde riflesse è
importante perché questi cambi sono il risultato diretto di cambi nelle
formazioni di unità presenti nel sottosuolo. Più alto è il contrasto di
velocità all’interfaccia sepolta, più alta è l’ampiezza dell’onda riflessa.
Se i cambi di ampiezza possono essere legati a importanti lineamenti
137
138
Capitolo VIII
archeologici e stratigrafici, la collocazione di ampiezze più alte o più
basse a profondità specifiche possono essere usate per ricostruire il
sottosuolo in tre dimensioni. Le aree di onde a bassa ampiezza indicano terreno o materiale di matrice uniforme, mentre quelle di ampiezza
più alta denotano aree di forte contrasto nel sottosuolo e possono indicare la presenza di lineamenti archeologici sepolti, vuoti o importanti
cambi stratigrafici. Al fine di essere interpretate correttamente, le differenze di ampiezza devono essere analizzate in termini di “time slice”
che esaminano solo cambi all’interno di profondità specifiche nel terreno. Ogni time slice è comparabile con un livello di scavo archeologico standard, solo che qui i livelli sono un insieme di ampiezze
dell’onda riflessa che prendono il posto del terreno e dei sedimenti. E’
importante comprendere e mettere in evidenza il fatto che
l’archeologo non dovrebbe semplicemente mandare i dati GPR grezzi
a un esperto di trattamento dei dati al computer e a persone che costruiscono ciecamente le time slice. Questi tipi di mappe non sono
fatte automaticamente, come uno sviluppo fotografico, ma devono essere costruite prudentemente. L’archeologo non dovrebbe essere un
partner passivo in questo potente passo del trattamento dei dati, ma
deve partecipare attivamente nel determinare i parametri di trattamento e visualizzare il formato del prodotto finale. La loro produzione richiede alcune principali conoscenze delle condizioni del sito, il tipo e
le dimensioni dei lineamenti che devono essere risolti. Un esempio di
una mappa di anomalie di ampiezza rappresentata da una slice orizzontale nel terreno tra 2 e 3 m, ottenuta al sito Ceren in El Salvador, è
mostrato nell’inserto 3b. In questa mappa sono visibili due strutture
come anomalie di alta ampiezza. Queste strutture erano anche di dimensioni notevoli e potevano essere posizionate su mappa usando i
metodi standard di interpretazione che coinvolgono i profili bidimensionali. Altre anomalie ad alta ampiezza, tuttavia, sono visibili su questa mappa e probabilmente rappresentano lineamenti archeologici addizionali non prontamente visibili sui profili individuali. Questa capacità di identificare e mappare le anomalie di ampiezza, che sono difficili da discernere a vista sui profili individuali, è una delle più potenti
applicazioni di questo tipo di analisi GPR. Nel 1997 l’area del sito Ceren venne nuovamente sottoposta a misure con l’utilizzo di una coppia
di antenne da 500 MHz e una griglia più fitta con spazio tra le linee di
50 cm. Un’analisi più critica dei profili in questa nuova griglia indica
che l’anomalia larga di alta ampiezza nella porzione sud della griglia
può essere una larga piazza o patio. E’ probabile che, senza la sua i-
Analisi di ampiezza negli studi GPR
139
dentificazione nelle mappe slice, questa area di piccolo cambio di ampiezza sarebbe stata irriconoscibile e non interpretata. Può anche essere informativo comparare su una singola mappa la collocazione delle
anomalie di ampiezza da più slices orizzontali o sub orizzontali nel
terreno. In questo modo l’orientazione, lo spessore e le relative ampiezze delle anomalie sono visibili in tre dimensioni. Le slices di ampiezza sono generalmente costruite in intervalli di tempo uguali, con
ogni slice rappresentante uno spessore approssimato del materiale sepolto. I cambi di ampiezza visibili in una serie di time slices orizzontali nel terreno sono analoghi allo studio dei cambi geologico e archeologico nello strato ad uguale profondità (Arnold et al. 1997; Goodman et al. 1995; Malagodi et al. 1996; Milligan and Atkin 1993). Se le
analisi di velocità sono fatte in anticipo e sono fatte le correzioni tempo – profondità, ogni time slice orizzontale può essere vista come una
depth slice (sezione profondità). Se le anomalie di ampiezza in ogni
depth slice sono poi correlate per conoscere l’archeologia e la stratigrafia da scavi vicini, possiamo costruire mappe tridimensionali estremamente accurate di un sito. Le mappe di anomalie di ampiezza
possono anche essere non costruite orizzontalmente e ad intervalli di
tempo uguali. Esse possono variare sia in spessore che in orientazione
in modo dipendente da ciò che viene richiesto dalla geologia e
dall’archeologia. La superficie topografica, l’orientazione dei lineamenti e la stratigrafia del sottosuolo di un sito possono, qualche volta,
necessitare della costruzione di slices che non sono ne uniformi ne orizzontali. Questo può facilmente essere fatto su un computer quando i
dati sono in formato digitale. La figura 31 illustra un schema che descrive il principio generale nella creazione di una time slice orizzontale. I profili radar raccolti lungo linee parallele e/o incrociate dentro
una griglia sono sezionate ad un particolare intervallo di tempo dt. Le
ampiezze relative delle onde radar riflesse registrate tra quei tempi (la
slice) sono poi mediate e interpolate prima di stamparle in forma di
mappa. Le anomalie risultanti visibili in una slice map rappresentano
perciò la distribuzione spaziale delle ampiezze della riflessione a profondità specifiche all’interno della griglia. Nelle time slice orizzontali
standard ogni slice è distinta da un intervallo di tempo doppio misurato in nanosecondi (ns). A causa delle possibili differenze di velocità
che si possono avere in punti diversi di una stessa griglia, tuttavia, è
probabile che quella che appare essere una perfetta slice orizzontale in
una mappa generata al computer può effettivamente essere stata ottenuta dall’analisi dei dati che non sono ne orizzontali ne di uguale
140
Capitolo VIII
spessore. Le time slices orizzontali devono perciò essere considerate
solo approssimate depth slices. Senza più controllo dei dettagli di velocità da una parte all’altra della griglia, è impossibile costruire perfettamente una slice uniforme e orizzontale. In aggiunta se i dati GPR
sono raccolti lungo un terreno non uniforme e non vengono fatte correzioni topografiche, ogni slice nel terreno varierà considerevolmente
dall’essere orizzontale e parallela alla superficie del terreno stesso.
Fig. 31: Rappresentazione della costruzione delle time slices orizzontali dai profili
GPR bidimensionali standard in una griglia delineata dai valori x e y. dy è la distanza
tra i profili; dx è la distanza lungo i profili in cui le onde riflesse sono mediate; dt è lo
spessore delle slice, misurato in nanosecondi (tempo doppio di viaggio). La media
delle ampiezze al quadrato nelle finestre dx, dt collocate in x,y nella griglia, è il parametro di ampiezza visualizzato nelle mappe di anomalia di ampiezza.
Per costruire le time slice orizzontali, il computer deve comparare
le variazioni di ampiezza delle tracce registrate in una ben definita finestra di tempo. Quando questo è fatto entrambe le ampiezze positive
e negative delle riflessioni sono comparate al modello (tipo) di tutte le
ampiezze nella finestra. In questa analisi non viene fatta differenza tra
ampiezze positive e negative, solo la quantità di ampiezza che devia
dalla norma. Basse variazioni di ampiezza dentro ogni slice denotano
riflessione piccola dal sottosuolo e, perciò, indicano la presenza di materiale abbastanza omogeneo. Alte ampiezze indicano discontinuità
significative nel sottosuolo e, in molti casi, rivelano la presenza di lineamenti sepolti. Un brusco cambio tra un area di bassa ampiezza e un
area di alta ampiezza può essere molto significativo e può indicare la
Analisi di ampiezza negli studi GPR
141
presenza di una interfaccia sepolta tra due mezzi. Ai gradi di variazione di ampiezza in ogni time slice possono essere assegnati colori arbitrari o toni di grigio lungo una scala nominale. Non è generalmente
importante quale schema di colore o di toni di grigio viene usato nelle
slices, l’importante che ci sia sufficiente contrasto per rendere, nelle
mappe, le anomalie facilmente riconoscibili. Una scala che va dalle
alte alle basse ampiezze viene generalmente rappresentata a parte in
ogni mappa, ma senza specifiche unità perché, nel GPR, le ampiezze
delle onde riflesse sono generalmente arbitrarie. Deve essere ricordato
che a causa del fatto che molti strati nel sottosuolo non sono perfettamente orizzontali, e molte unità stratigrafiche variano in spessore, le
time slices orizzontali possono non comparare le ampiezze di unità
che sono correlate. Se questo è il caso, i bruschi cambi in colore o in
toni di grigio nelle mappe risultanti possono rappresentare solo
l’intersezione di una time slice con il confine stratigrafico e può non
indicare un significativo cambio archeologico o geologico. Queste
complicazioni possono, qualche volta, essere corrette se l’orientazione
e lo spessore degli strati nel sottosuolo è conosciuto. Ci sono più opzioni che possono essere utilizzate quando si creano le time slices ma,
in generale, ci sono alcune regole utili che devono essere seguite
quando interpretiamo più set di dati digitali GPR:
x lo spazio tra le linee (dy in figura 31) in una griglia dovrebbe essere al massimo 1/2 della lunghezza d’onda di possibili riflessioni
create dal più piccolo bersaglio che si vuole mettere in evidenza.
Questa distanza può essere stimata usando l’equazione 3 in figura
4, più è piccolo il bersaglio più piccolo dovrebbe essere lo spazio
tra le linee;
x l’intervallo di campionamento dovrebbe essere aggiustato in modo
tale che sia sufficiente per registrare sufficienti dati digitali in ogni
traccia per definire le onde riflesse generate dal bersaglio desiderato;
x dopo che i dati sono stati raccolti, e prima di creare le slices, è importante fare una media spaziale lungo ogni profilo con il computer, fare cioè uno stacking in entrambe le direzioni x e y;
x i dati possono anche essere mediati nella finestra verticale (tempo). E’ utile, in molti set di dati archeologici, mediare le riflessioni verticali su diverse lunghezze d’onda (dt in figura 31).
Sezionando i dati con la scelta di una finestra del tempo più sottile
(dt) si può, molte volte, creare una time slice rumorosa. Una slice sot-
142
Capitolo VIII
tile può avere un alta risoluzione, ma il rumore può coprire ogni dato
utile. In aggiunta slices molto sottili hanno una maggiore probabilità
di attraversare il confine stratigrafico creando anomalie di ampiezza
artificiali all’intersezione della slice stessa con il basamento del sottosuolo. La realizzazione di mappe utili prevede che i profili siano abbastanza distanti per la necessaria interpolazione bidimensionale tra i
profili stessi in una griglia. Il valore di interpolazione tra i profili stabilisce la risoluzione delle anomalie quando graficate in forma di
mappa. In figura 32 sono visualizzate tre slices con differenti interpolazioni, tutte derivate dagli stessi dati digitali acquisiti all’interno di
una griglia di 13x 33 m con una spaziatura tra i profili di 50 cm. Le
risultanti anomalie di ampiezza, riportate in una slice tra 7.5 e 10 ns
(tempo doppio di viaggio) sono mostrate nelle mappe di figura 32.
Questi dati furono acquisiti usando antenne da 500 MHz al castello
Nanaojo del 15° secolo nella Prefettura di Shimane in Giappone (figura 33).
Fig. 32:Mappe slice di ampiezza con differenti interpolazioni tra i profili. In
A le anomalie sono state create con un interpolazione avente un raggio di ricerca di 60 cm. In B il raggio di ricerca è di 110 cm. In C il raggio di ricerca
è di 250 cm.
Analisi di ampiezza negli studi GPR
143
Fig. 33: Collocazione dei siti archeologici in Giappone.
Si pensava che l’area rilevata dal GPR includesse l’entrata sepolta
al castello di Nanaojo. Si sperava che il GPR sarebbe stato in grado di
inquadrare i pilastri di pietra alla base delle buche usate per contenere
le travi verticali di supporto all’entrata del castello. L’anomalia sepolta all’angolo destro al top di ogni slice, specialmente in A e B (figura
32) è l’angolo di una di queste strutture di supporto. Per illustrare la
differente risoluzione prodotta da differenti raggi di interpolazione,
furono costruite tre slices dallo stesso set di dati acquisiti al castello di
Nanaojo. Quando il raggio di ricerca è piccolo, le pietre individuali
144
Capitolo VIII
usate come fondamenta per i legni di supporto verticali possono essere
viste (A figura 32). Con più punti mediati, queste anomalie di ampiezze individuali generate dal computer diventano lisce (attenuate, appianate) e solo la fisionomia dell’angolo destro, senza le pietre individuali, è visibile (B in figura 32). Dopo che i raggi di ricerca sono ulteriormente aumentati, i dati furono appianati ancora di più e la fisionomia dell’angolo destro diventa chiaramente distorta e irriconoscibile. In questo esempio sono preferibili raggi di ricerca più piccoli perché i lineamenti importanti che devono essere risolti (le pietre individuali) sono anche piccoli. Il viceversa dovrebbe essere vero quando si
ha a che fare con piccoli oggetti come ciottoli di fiume che mettono
insieme la matrice di un sito. In questo caso, se i lineamenti del bersaglio sono larghi e circondati da ciottoli, sono necessari larghi raggi di
ricerca in modo che l’interpolazione elimini le riflessioni individuali
dei ciottoli (che in questo caso sono il rumore) e focalizzi i lineamenti
più larghi. Durante la preparazione della visualizzazione dei dati geofisici come le time slices è raro il caso che una singola interpolazione
possa essere sufficiente.
SLICE DI AMPIEZZA SU TERRENI LIVELLATI
La collina sepolta al Nyutabaru nella Prefettura Miyazaki
nell’isola giapponese di Kyushu (figura 33) è un buon esempio
dell’utilità delle time slices nella definizione di siti sepolti che sono
completamente invisibili con ogni altro mezzo. Molte colline sepolte e
altre strutture cerimoniali sono state trovate in quest’area (Arita 1994),
alcune delle quali contenevano sepolture intatte del periodo Kofun
(A.D. 300 – 700). Oggi la maggior parte dell’area è stata convertita in
terreno coltivato e la maggior parte delle antiche colline sepolte sono
state livellate. Sebbene in alcune aree non ci siano resti evidenti di
queste strutture, alcune camere di sepoltura sono state, qualche volta,
trovate intatte in aree poste al di sotto della zona arata. Molte volte esse vengono scoperte accidentalmente quando l’equipaggiamento agricolo pesante vi sprofonda dentro durante l’aratura o le operazioni di
raccolta. Prima del livellamento alcune delle colline più larghe raggiungevano gli 8 – 9 m di altezza e superavano i 100 m di lunghezza
(Hiroshi 1989). Quest’area del Giappone è vulcanicamente attiva e un
certo numero di eruzioni significative storiche e preistoriche hanno
sepolto e oscurato i lineamenti archeologici (Machida and Arai 1983).
Le unità di cenere vulcanica che creano la matrice del sito sono state
Analisi di ampiezza negli studi GPR
145
parzialmente esposte alle intemperie e i terreni in superficie resi omogenei da operazioni di coltivazione che si sono protatte negli anni.
Sebbene la superficie dei terreni sia ben sviluppata, il sedimento sottostante è per la maggior parte povero di argilla e quindi eccellente mezzo per la trasmissione dell’onda radar. Al Nyutabaru, nel 1993, fu fatta
una griglia GPR di 108x45 m. L’area, un campo agricolo quasi perfettamente piano, fu denominata alfa-alfa nel periodo del rilievo (figura
34).
Fig. 34: Acquisizione dei dati con la 300 MHz nel sito Nyutabaru, Giappone.
Il campo su cui il rilievo venne condotto era il Campo alfa-alfa. Sullo sfondo
sono visibili dei tumuli di sepoltura intatti che non furono parte del rilievo
GPR.
La superficie del terreno era completamente umida nel periodo in
cui furono acquisiti i dati. I profili furono eseguiti usando una singola
antenna da 300 MHz nelle linee da est a ovest equispaziate di un metro dentro la griglia. La velocità stimata fu ottenuta da uno scavo di
test come descritto per il test della barra nel capitolo VI. Fu ottenuta
una velocità media di 8 cm/ns. Un profilo GPR, rappresentativo della
griglia, è mostrato in figura 35. In questo profilo è visibile due volte
una fossa che un tempo circondava una collina nei punti in cui tracciato la attraversa. La fossa esibisce il classico bow – tie, illustrato nella
sezione radar sintetica nell’inserto 1a.
Fig. 35: Profilo radar bidimensionale che attraversa un fossato e una possibile stanza di sepoltura nel sito Nyutabaru, Giappone. Il fossato circolare fu attraversato due volte da questo profilo ed è visibile dall’effetto “bow tie”
che è modellato nella Inserto 1a e 1b. E’ visibile una stanza, collassata al centro, di sepoltura, ma debolmente definita in questo profilo. (Dopo Conyers et al., 1995).
146
Capitolo VIII
Analisi di ampiezza negli studi GPR
147
La time slice orizzontale venne costruita ogni 8 ns (tempo doppio
di viaggio) dai dati registrati nella griglia (Inserto 4). Usando una velocità media di circa 8 cm/ns ogni slice orizzontale visualizza le anomalie di ampiezza, nelle successivamente più profonde slices, ogni 32
cm di spessore circa.
La mappa più in alto visualizza le strutture lineari che sono presenti nella superficie del terreno, orientati con l’attuale solco visibile nel
campo alfa-alfa. La successiva slice più profonda, da 8 a 16 ns, che è
al di sotto dell’attuale zona agricola (arata), dipinge le anomalie di
ampiezza che sono orientate perpendicolarmente a quelle nella slice
sottostante.
Questa slice approssima una profondità tra 32 e 64 cm nel terreno.
Foto aeree, che furono fatte al sito nel 1940, mostrano che
l’orientazione della fila di mietitura è uguale a quella usata oggi, considerando possibilmente il cambio in tendenza della struttura del terreno vicino alla superficie in questa slice più profonda. Nella slice da
16 a 24 ns alcuni dei lineamenti dell’aratura di prima del 1940 sono
ancora visibili, ma essi sono di nessun interesse. Alcuni lineamenti di
ampiezza interessante si vedono nella slice successiva più profonda,
da 24 a 32 ns, che mette in evidenza anomalie di ampiezza tra circa 1
e 1.3 m nel terreno. In questa slice è visibile una struttura circolare di
22 m circa di diametro come riflessione di bassa ampiezza nella posizione est della griglia. Nelle slices progressivamente più profonde
questa struttura diventa più pronunciata e le riflessioni che la generano
diventano più alte in ampiezza rispetto al materiale circostante. Questa
anomalia di ampiezza circolare si pensa essere stata generata dai muri
e forse dal piano di un fossato sepolto che circondava un, attualmente
appiattita e distrutta, collinetta centrale. Nella slice tra 40 e 80 ns, che
rappresenta una slice alla profondità tra circa 1.6 e 2 m nel terreno, è
visibile un anomalia di ampiezza molto alta appena a sud del lato nord
del fossato. Questo lineamento è creduto essere una stanza sepolta che
era un tempo ricoperta da una larga collinetta. L’anomalia più debole
esterna alla collinetta, appena a nord della stanza, può rappresentare i
resti di un pozzo di ingresso che una volta conduceva alla stanza sotto
la collinetta. Una porzione di una seconda collinetta, che poteva circondare un'altra stanza sepolta, è collocata a nord est in questa griglia.
Essa non è ancora stata completamente rilevata dal GPR. In questa slice profonda, da 40 a 48 ns, i due lineamenti lineari collocati a ovest
della collinetta possono essere dei recinti.
148
Capitolo VIII
Documenti scritti del periodo EDO nel Giappone (1600 – 1860)
indicano che in un posto qualsiasi di quest’aria esisteva un antico recinto per l’allevamento dei cavalli. La natura dell’alta ampiezza di
queste due anomalie lineari, che sono sorprendentemente simili a
quelle del fossato, indicano che probabilmente sia il fossato che il recinto furono costruiti in modo simile. E’ probabile che il recinto del
periodo Edo venne costruito dallo scavo di due trincee parallele e
ammucchiando la terra scavata in mezzo a queste ultime. Un recinto di
legno o altri materiali da costruzione possono poi essere stati collocati
sulla collinetta formata dal mucchio di terra. Le linee del recinto sono
presenti nella mappa di anomalie di ampiezza come due anomalie parallele generate da riflessioni che erano create lungo la base di due
trincee che erano bordate dal recinto innalzato. Il recinto si è, probabilmente, deteriorato con il passare degli anni. La capacità di mappare
questo sito, usando le slices di ampiezza, permette un interpretazione
di uno scenario che parte dalla costruzione, segue con l’abbandono e
la sepoltura e finisce con la parziale distruzione delle collinette artificiali e i loro allineamenti associati. Questa sequenza di eventi è illustrata in figura 36.
Per primi furono scavati i fossati (A) e il materiale scavato venne
ammucchiato nel mezzo per creare una collinetta. Dopo la costruzione
della collinetta, veniva scavato a diversi metri di profondità, originariamente esterno al fossato, un pozzo verticale. Veniva poi costruito
un tunnel orizzontale che raggiungeva la stanza costruita all’interno
della collinetta partendo dall’estremità inferiore del pozzo (B).
Dopo la sepoltura di un uomo, l’entrata esterna al pozzo e al tunnel
veniva riempita (C). Col passare del tempo, i fossati vennero riempiti
da sedimenti naturali e dal deposito di cenere vulcanica dal vicino
vulcano Kyushu. La differenza nelle caratteristiche del terreno, tra il
materiale che riempie il fossato e il terreno circostante, produce, probabilmente, le riflessioni di alta ampiezza visibili come anomalie nella
slice tra 40 e 48 ns nell’inserto 4.
La pratica di un intensiva coltivazione della terra che venne promossa nel 19° e 20° secolo livellò il terreno, distruggendo la collinetta
centrale ma preservando il sottostante fossato, stanza centrale ed entrata (D). In aggiunta la cenere vulcanica, proveniente da un eruzione
storicamente documentata, e l’ulteriore intensiva aratura oscurarono i
sottostanti lineamenti archeologici (E). I risultati del rilievo al Nyutabaru, rappresentati come una serie di mappe di slices di ampiezza, sono in molti modi rimarcabili.
Analisi di ampiezza negli studi GPR
149
Fig. 36: Sequenza che iluustra come è avvenuta la costruzione e la sepoltura delle colline ottenuta dalle slices tridimensionali. La sezione (A) mostra l’inizio della costruzione del fossato e dell’interno del tumulo. Il suolo e i sedimenti risultati dalla costruzione del fossato vennero usati nella costruzione dela parte centrale del tumulo. In (b)
è mostrata la costruzione di un ingresso verticale e un tunnel orizzontale per accedere
al centro del tumulo e per scavare la stanza di sepoltura. Il fossato venne riempito (C)
e l’ingresso verticale collassato venne riempito con terreno e sedimenti. In (D) l’area
venne coperta da polvere vulcanica, e la parte superiore del tumulo venne parzialmente rimossa dall’erosione e successivamente arata. Un ulteriore deposito di polvere vulcanica e terreno (E) hanno completamente rimosso ogni evidenza in superficie del
tumulo.
150
Capitolo VIII
Sebbene molti dei più larghi lineamenti archeologici, come il fossato e la stanza centrale sepolta, sono visibili in alcuni profili standard
bidimensionali (figura 35), la loro orientazione non può essere facilmente stabilita. I più piccoli lineamenti poco distinti, come la stanza
centrale sepolta e il recinto, sono quasi completamente invisibili.
Quando i dati digitali di ampiezza vengono visualizzati come slices i
lineamenti diventano immediatamente visibili. Il fatto che i dati siano
illustrati con una sequenza di slices discendenti nel terreno e quindi
con aspetto tridimensionale dà la possibilità di rilevare l’esatta orientazione della costruzione e la sequenza della sepoltura. Grazie alle slices si conosce con precisione la collocazione spaziale e in profondità
dei lineamenti architettonici sepolti in questo sito. L’area della griglia
del GPR, che dovrebbe normalmente essere più larga dello scavo, fu
completata in sole quattro ore usando un tipo di percorso a zig zag. La
stanza centrale di sepoltura non è stata scavata, ma la conoscenza della
sua esatta collocazione e profondità permetterà agli archeologi di fare
misure per assicurare la sua conservazione.
TIME SLICES RELATIVE A DATI RACCOLTI SU TERRENI
IRREGOLARI
Quando i dati GPR sono raccolti in una griglia che è situata su un
terreno irregolare (non uniforme), devono generalmente essere fatte
correzioni topografiche. Quando l’obiettivo è solo un esplorazione
preliminare, tuttavia, queste correzioni possono non essere fatte prima
di costruire le slices. Un buon esempio di questo tipo di rilievo preliminare è la collina 111 nel Saitobaru Kofun. Essa è collocata nella
Prefettura di Miyazaki nell’isola a sud di Kyushu, un’area che contiene una delle più famose collezioni di colline sepolte in Giappone (figura 33). Secondo Hongo Hiromoki, capo archeologo della Prefettura
di Miyazaki, l’Altopiano di Saitobaru contiene più di 311 colline datate tra il quarto e sesto secolo, molte delle quali guardano dall’alto una
larga valle. L’area del Saitobaru fu designata nel 1952 a Parco Storico
Nazionale. Diverse colline sepolte sono state scavate al sito, ma la
maggior parte rimangono indisturbate. Il parco è raro in Giappone
perché contiene molte sepolture indisturbate e presumibilmente intatte; sono poche le colline distrutte dall’attività di coltivazione o costruzione. Si pensa che le colline siano state situate in modo tale che
l’architettura monumentale funeraria degli antenati dell’elite della società potesse essere visibile a tutti coloro che vivevano e lavoravano
Analisi di ampiezza negli studi GPR
151
nel vicino bassopiano. Nell’area del Saitobaru ci sono una varietà di
stili e forme di colline. Alcune sono a forma di buco di serratura, se
vista in pianta, mentre altre sono circolari o quadrate. Ogni collina
contiene presumibilmente nel suo interno una o più sepolture rivestite
in pietra, frecce, o altre strutture di interesse archeologico. Prima della
costruzione delle collinette, incominciata all’incirca nel IV secolo,
l’area era periodicamente sepolta da cenere vulcanica. Questo materiale vulcanico, che è stato parzialmente esposto alle intemperie, veniva
utilizzato nella costruzione delle colline e altri lineamenti archeologici
nell’area. Analisi preliminari indicano che questo materiale contiene
poca argilla e permette una buona penetrazione del segnale radar con
piccola attenuazione, anche quando le unità di terreno e sedimento sono parzialmente saturi d’acqua. Negli ultimi anni alcune delle colline
sepolte nel Parco di Saitobaru sono state rilevate usando il GPR con
attenzione a delineare i lineamenti interni per poi scavare. Una di queste colline, la Kofun 111, è visibile sulla superficie come una larga
collina interna ad un fossato che funge da recinto. Più recente è la costruzione di un argine circolare di terra intorno alla collina con lo scopo di proteggerla. Una strada, costruita recentemente sull’estremità del
fossato circostante, incontra un tunnel orizzontale che incomincia dal
fossato e si proietta a circa 5 metri verso la collina posta al centro.
L’estensione originale del tunnel è presunta avere continuità nella
porzione centrale della collina e conduce ad una stanza di sepoltura.
Alcuni profili GPR test indicano che ci può essere una significativa
riflessione radar generata alla discontinuità tra il tunnel parzialmente
collassato e il circostante materiale che lo riempie (figura 16). Scavi
effettuati su altre colline intorno, simili alla Kofun 111, indicano
l’esistenza di pozzi scavati all’esterno del fossato che servivano probabilmente da ingresso al tunnel che conduceva verso la sepoltura posta al centro della stanza. Nel 1995 sulla collina Kofun 111 venne
condotto un rilievo GPR con l’utilizzo di due antenne da 300 MHz. Fu
realizzata una griglia di 50 m x 50 m con spaziatura tra i profili di 5
m. Furono poi costruite 12 time slice, con slice a intervalli di tempo
(doppio di viaggio) di 14 ns (Inserto 5a). Ogni slice rappresenta, approssimativamente, 56 cm nel terreno, usando una velocità media di
circa 8 cm/ns. Non furono fatte correzioni per la superficie topografica. I fossati costruiti in epoca più recente e che circondano la collina
sono facilmente visibili nel top della slice da 0 ns a 14 ns. Le slices
più profonde da 14 ns a 42 ns mostrano i resti di due fossati originali
che circondano l’interno della collina. Da 56 ns a 70 ns (corrisponden-
152
Capitolo VIII
ti approssimativamente da 2,2 m a 2,8 m di profondità) le superfici dei
fossati non sono più visibili, e solo i lineamenti dentro la collina sono
raffigurati. Le correzioni topografiche non furono fatte perché le anomalie di riflessione ad alta ampiezza esterne all’area della collina erano probabilmente generate da sedimenti indisturbati non associati con
il materiale di costruzione della collina. Nella slice da 112 ns a 126 ns
(corrispondente a una profondità approssimativa compresa tra 4,5 m e
5 m), è visibile, con ampiezza relativamente alta, un anomalia posta,
come coordinate, a x=3 m y=30 m. Questa anomalia continua su una
linea retta a nord, finendo nel mezzo della collina. Essa era probabilmente generata all’interfaccia tra un tunnel interno e il terreno circostante che conduce alla centrale, più profonda, stanza in pietra. Questo
lineamento si può connettere al tunnel incontrato ad est (fig. 16). Una
stanza interna è visibile in tre slices più profonde, da 126 ns a 168 ns,
corrispondente a una profondità approssimativa che va da 5 m a 6,7 m.
L’anomalia della stanza fu probabilmente prodotta dalla discontinuità
di velocità tra una linea di pietre al centro della stanza e il circostante
terreno vulcanico usato nella costruzione. L’anomalia a nord della collina nella slice da 126 ns a 168 ns può essere stata generata da strutture prodotte da operazioni di scavo durante la costruzione della collina,
o esse possono essere solo strutture naturali nel circostante sedimento
nativo che non ha significato archeologico. Una più interessante struttura lineare è visibile dentro la collina nella slice da 56 ns a 70 ns, che
corrisponde, approssimativamente, ad una profondità che va da 2,2 m
a 2,8 m (Inserto 5a). Questo lineamento appare essere stato generato
da un tunnel o da una trincea sepolta che è lunga approssimativamente
14 m. Gli archeologi, collegandosi ad altre colline scavate nell’area,
credono che quest’anomalia possa rappresentare un secondo ingresso
nella stanza centrale, o possibilmente una sepoltura secondaria interrata dopo la costruzione della stanza di sepoltura principale. Il tempo totale impiegato per completare questo rilievo e produrre le slices fu di
quattro ore, con in aggiunta tre ore per il trattamento al computer. Non
vennero fatte correzioni topografiche che avrebbero aumentato il tempo di lavoro in campagna in quanto, per questo tipo di correzione, sarebbe stato necessario un rilievo dettagliato ed accurato delle quote.
Con la conoscenza delle quote è possibile, grazie a programmi utilizzabili al computer, correggere i profili e le mappe di anomalia di ampiezza (time slice) per i cambi di quota stessa. In questo particolare
rilievo, le correzioni non furono necessarie perché la conoscenza delle
caratteristiche interne di altri lineamenti vicine permise agli archeologi
Analisi di ampiezza negli studi GPR
153
di differenziare i vari tipi di anomalie quelle interessanti dal punto di
vista archeologico da quelle naturali.
MAPPE TRIDIMENSIONALI
Le mappe tridimensionali di anomalie possono essere costruite velocemente con le time slice, specialmente quando la superficie del terreno è uniforme e non sono necessarie correzioni topografiche. Questo
fu fatto in un rilievo GPR condotto nel 1995 su una superficie uniforme collocata sul top di una larga collina sepolta a forma di buco di
serratura chiamata Yamashiro Futacozuca nella Prefettura di Shimane
in Giappone (figura 33). Prima del rilievo GPR alcuni scavi di test misero in evidenza la presenza di un entrata di pietre allineate alla porzione principale della collina (figura 37) (Dipartimento di Archeologia, Prefettura di Shimane 1978). Il rilievo fu proposto per determinare le esatte dimensioni fisiche di una possibile stanza rivestita di pietre allineate connessa a questo ingresso dentro la porzione principale
della collina.
Fu quindi condotto un rilievo GPR con l’esecuzione di una griglia
di 7 m x 16 m e profili equispaziati di 50 cm. Furono costruite 10 time
slices, una per ogni 10 ns (Inserto 5b) dalla superficie fino a 100 ns in
profondità (tempo doppio di viaggio). Ogni slice rappresenta una profondità approssimativa di 60 cm nel terreno. La slice da 40 ns a 50 ns
(approssimativamente da 3,8 m a 4,75 m) indica la presenza di una riflessione di ampiezza molto alta nella porzione est della griglia (Inserto 5b). Questa anomalia è direttamente in linea con l’entrata scavata
collocata sull’estremità est della collina. La profondità e la collocazione di questa anomalia indicano che essa è probabilmente generata da
una stanza sepolta rivestita di pietre allineate. Quando connessa
all’entrata est conosciuta, la lunghezza totale del tunnel rivestito di
pietre, che conduce alla stanza di sepoltura, è tra i 13 m e i 14 m, facendo di esso uno dei più lunghi lineamenti archeologici di questo tipo
mai scoperti in Giappone. Le dimensioni dell’interno della stanza, che
è ben definita dal GPR, possono essere precisamente misurata come
4,5 m di lunghezza per 2,5 m di larghezza. Nelle slices progressivamente più profonde, sono rappresentate solo riflessioni che vengono
dal muro posto dietro la stanza. Al fine di visualizzare la stanza in tre
dimensioni, venne costruita una sezione (perpendicolare alla serie di
slices) con l’utilizzo delle anomalie di ampiezza visibili in tutte le slices (Inserto 6a). Il top della stanza di sepoltura è stimato essere a 3,8m
154
Capitolo VIII
sotto la superficie del terreno perché essa incominciava ad essere visibile nella slice tra 40 ns e 50 ns. Le casse di pietra che potevano essere nella stanza
Fig. 37: Superficie topografica della Collina Yamashiro Futagozuka.Il “buco
di serratura” naturale della collina è chiaramente definito. I contours sono in
metri sul livello del mare. Uno scavo test che è collocato all’ingresso in pietra
all’interno della stanza, e posizionato a est della griglia GPR. Questo ingresso
collega, probabilmente, alla stanza sepolta scoperta con il GPR.
Analisi di ampiezza negli studi GPR
155
non sono visibili nelle slices perché molta dell’energia radar fu riflessa
all’interfaccia tra la linea del rivestimento in pietra e l’aria nella stanza. Il rilievo GPR alla collina del Yamashiro Futagozuka fu importante per la definizione dell’esatta collocazione e dimensione della stanza
di sepoltura. Nel futuro possono essere condotti scavi solo dove è collocata la stanza centrale, lasciando così indisturbati altri punti della
collina.
IDENTIFICAZIONE DI LINEAMENTI INVISIBILI NEI PROFILI BIDIMENSIONALI
Le colline di Spiro, collocate in Oklahoma, rappresentano
l’estensione più a occidente di colline, di una certa importanza archeologica, costruite in Nord America durante il periodo Mississipiano
(Rogers et al. 1989). Il primo insediamento nell’area della collina di
Spiro risale approssimativamente all’A.D. 900; il sito fu abbandonato
all’incirca nell’A.D. 1450. L’area di Spiro fu un importante centro
commerciale, cerimoniale e religioso. Il commercio per e dall’area di
Spiro si svolgeva dal lontano sud del Golfo del Messico a nord fino ai
confini Canadesi. Nell’area di Spiro sono visibili un certo numero di
colline, qualcuna delle quali è stata scavata (figura 38).
La collina 6 venne scelta per un rilievo GPR perché si credeva fosse stata abbandonata intatta dai saccheggiatori che si sono susseguiti
per i primi 28 secoli. Rimane solo una leggera ascesa topografica dopo
l’erosione, le arature e i livellamenti della terra che si sono susseguiti
nel XIX secolo e alcune controversie circa il fatto che la collina potesse avere o no un certo interesse archeologico. Si sperava quindi di
mettere in evidenza, attraverso il rilievo GPR, le strutture antropiche
interne. Scavi condotti prima del rilievo GPR indicano che le colline
hanno una stratigrafia interna poco visibile. Ulteriori scavi indicano i
resti di un certo numero di costruzioni bruciate che furono ricoperte
dalla terra delle colline. Si pensa che alcune delle strutture bruciate
siano state incendiate dopo la morte di un capo o di una figura religiosa durante cerimonie funebri.
La collina 6, che è visibile come un piccolo lineamento topografico, (figura 38), venne indagata dal GPR nel 1992. Attualmente
sull’area, dove venne condotto il rilievo GPR, esiste circa 1 m di di-
156
Capitolo VIII
slivello topografico. Vennero usate due antenne da 300 MHz per acquisire i dati in una griglia di 33 m x 39 m, con profili equispaziati di
1 m.
Fig. 38: Collocazione della griglia GPR sulla collina 6 (Modificata da Rogers
et al., 1989).
Le analisi di velocità portarono ad una velocità media dell’onda elettromagnetica nel mezzo di circa 6 cm/ns. I profili bidimensionali,
non corretti per la topografia, mostrano piccoli lineamenti di interesse
(figura 39).
Fu in seguito rilevata la topografia della griglia al fine di fare le
correzioni topografiche in modo tale che le slices di ampiezza risultassero effettivamente parallele a ogni possibile stratigrafia orizzontale
che può esistere dentro la collina. Tutte le tracce riflesse in ogni profilo GPR furono poi corrette usando i valori del rilievo topografico, ot-
Analisi di ampiezza negli studi GPR
157
tenuti ogni 50 cm lungo le linee della griglia, assumendo una velocità
dell’onda elettromagnetica nel mezzo di 5 cm/ns (figura 40).
Fig. 39: Profilo radar più rappresentativo eseguito sulla collina 6 (Collina di
Spiro, Oklahoma). Questo profilo non è stato corretto per la topografia e il
background non è stato rimosso. I lineamenti archeologici sono poco visibili
in questo profilo.
I terreni del sito sono formati da grani molto sottili e contengono
argilla in abbondanza che può avere attenuato molta dell’energia radar
al di sotto di 40 ns circa. La vista iniziale dei profili dei dati grezzi nel
campo fu scoraggiante perché su essi erano visibili poche riflessioni
che potevano avere delineato importanti strutture archeologiche. Le
time slices orizzontali furono prodotte per la griglia dopo che ogni linea fu corretta per la superficie topografica. In questo modo, le riflessioni da una possibile stratigrafia interna alla collina possono prima
essere ricostruite con il loro andamento topografico e poi sezionate orizzontalmente e parallelamente ad ogni possibile basamento piano interno. Le slices orizzontali vennero costruite ogni 7 ns (Inserto 6b). La
prima slice, da 0 a 7 ns, non illustra grandi anomalie di ampiezza. Poiché tutte le tracce furono corrette per la topografia, questa prima map-
158
Capitolo VIII
pa include solo riflessioni nel top dell’elevazione topografica. Ogni
slice che segue taglia più in profondità la collina.
Fig. 40: Lo stesso profilo di figura 39 dopo la correzione topografica.
In queste slices più in alto si vede ben poco (siamo a circa 35
ns) a causa della mancanza di stratigrafia interna o di strutture sepolte.
Nella slice più profonda, da 35 ns a 42 ns, (da 87 cm a 105 cm circa di
profondità) è visibile un anomalia pronunciata di 20 m2 circa. Questa
anomalia rappresenta probabilmente fondamenta e muri di una o più
costruzioni Mississipiane che possono essere state periodicamente incendiate e poi ricostruite. La costruzione venne poi ricoperta, in tempi
preistorici, durante la costruzione della collina. Le slices di ampiezza,
fatte prima delle correzioni topografiche, mostrano anomalie non rettangolari a causa del fatto che le slices stesse attraversano basamenti
piani. In questo sito le strutture archeologiche non sarebbero state visibili se non fossero state effettuate sia le correzioni topografiche che
le analisi di ampiezza. Il rilievo sarebbe stato probabilmente destinato
a fallire a causa della mancanza di riflessioni visibili nei profili bidimensionali. E in questo caso, anche se sono state fatte le slices, ma
non le correzioni topografiche, il successo avrebbe ancora eluso i rilevatori. E’ qualche volta possibile correggere per la topografia senza
Analisi di ampiezza negli studi GPR
159
aver effettivamente fatto rilievi dettagliati della superficie topografica.
Se una superficie di riflessione è visibile sui profili, e si sà che lo strato visualizzato è relativamente piano o ha una pendenza specifica misurabile, allora tutte le tracce riflesse nei profili bidimensionali possono essere normalizzate alla loro quota. In questo processo, ogni traccia
nei profili è arbitrariamente appianata sul computer durante il trattamento. Per completare questo le riflessioni, a cui tutte le tracce sono
normalizzate, devono prima essere identificate su tutti i profili, e il
tempo a cui sono registrate noto. Questo è il modo migliore di visualizzare ogni linea sullo schermo di un computer e registrare la collocazione delle riflessioni dentro tutte le tracce con l’aiuto di un mouse.
Questa riflessione è poi arbitrariamente assegnata a un tempo doppio
di viaggio e i dati registrati digitalmente da tutte le altre tracce nel profilo aggiustate sopra o sotto in modo relativo a questo valore.
LE SLICES DI AMPIEZZA CHE SEGUONO I LINEAMENTI
DELLA TOPOGRAFIA (HORIZON – SLICE MAPS)
Tutti i casi di analisi di ampiezza mostrati in questo capitolo si sono focalizzati sulla produzione di slices orizzontali. Queste mappe sono soddisfacenti quando i lineamenti sepolti o la stratigrafia sono anche loro orizzontali o quasi. Se i lineamenti sepolti sono orizzontali
ma appaiono distorti a causa di una superficie topografica non uniforme, le slices orizzontali possono ancora essere prodotte se prima viene
effettuata la correzione topografica. Tuttavia, le slices orizzontali possono non essere utilizzate se c’è una grande porzione di superficie
complessa. Per esempio, se la stratigrafia o lineamenti archeologici
sono all’interno di una griglia in cui il basamento sale e scende drammaticamente, le slices orizzontali incroceranno spesso il confine del
basamento, creando false anomalie di ampiezza se i piani del basamento e del sezionamento si intersecano. Al fine di superare questo
problema, le slices devono essere preparate in modo tale da risultare
parallele alla linea di confine del basamento di interesse. Questi tipi di
slices, usate prima nell’esplorazione sismica, sono chiamate “horizon
slices”. L’horizon slices vengono costruite visualizzando ogni profilo
in una griglia su uno schermo di un computer e usando un mouse per
“trascinare” una time window (finestra del tempo) lungo una riflessione o una serie di riflessioni di interesse. Questo viene fatto con l’aiuto
di un programma interattivo del computer. Deve essere fatta molta attenzione nello scegliere lo spessore della finestra di sezionamento in
160
Capitolo VIII
modo tale che l’orizzonte di interesse sia sempre incluso nella finestra
stessa. Le ampiezze delle onde riflesse dentro una finestra di profondità variabile sono poi inserite in file separati, dove possono essere analizzati i contrasti. Le horizon slices furono prodotte dai dati acquisiti
nel sito Asada in Komochi Mua, Guma Ken, Giappone (figura 33). In
questo sito vengono preservate, sepolte sotto più di un metro di cenere
vulcanica, alcune abitazioni collocate in delle buche e un antico piano
di calpestio (Isseki 1993). Una bozza schematica di una abitazione posta in una buca e che è stata riportata alla luce da uno scavo è mostrata
in figura 41.
Fig. 41: Diagramma di una sezione di una abitazione in fossa, sito di Asada,
Giappone. Nella parte superiore l’abitazione è mostrata così come doveva
essere originariamente. Nella parte inferiore il tetto è collassato e la fossa
piena di polvere vulcanica. Sul computer venne costruita un “horizon slice”
lungo i profili GPR che seguono le riflessioni generate dall’antica superficie
di calpestio e che attraversano la fossa riempita, ma non il piano
dell’abitazione.
Le abitazioni costruite in quest’area hanno la caratteristica di essere posizionate in buche profonde circa un metro all’interno del terreno
vulcanico. Venivano poi piazzati dei supporti di legno in modo tale da
poter ricoprire i tetti con terra e zolle erbose. Un eruzione vulcanica
Analisi di ampiezza negli studi GPR
161
seppellì il sito intorno all’A.D. 1000, facendo collassare i tetti e riempiendo le buche di molte di queste strutture. Il materiale vulcanico che
ricopriva il sito era leggermente differente nella composizione chimica, porosità e densità rispetto al materiale esistente che costituiva i
piani delle buche e la superficie del terreno circostante, creando un
contrasto di velocità all’interfaccia, che riflette l’energia radar. Venne
acquisita una griglia GPR di 20 m x 35 m usando una coppia di antenne da 300 MHz. Erano visibili buone riflessioni a circa 50 ns, che corrispondono approssimativamente a 3 m di profondità (figura 42).
Fig. 42: Profilo radar acquisito su una costruzione in buca con la collocazione
della “horizon slice” mostrata come dt.
L’esame iniziale delle riflessioni, nei profili bidimensionali, indica
la presenza di una possibile depressione in cui può esistere un abitazione in buca. Una depressione, visibile su un certo numero di profili,
è approssimativamente profonda 90 cm e ha un ampiezza di 20 m circa. Le time slices orizzontali standard, costruite ogni 5 ns, danno un
insuccesso perché le slices incrociano più strati. Nella griglia GPR,
tute le linee da est a ovest vennero visualizzate sullo schermo di un
computer e una time window di 15 ns venne sovrapposta sulla riflessione di alta ampiezza dovuta all’interfaccia tra l’antico piano di calpestio e la sovrastante cenere vulcanica (figura 42). Il top dell’horizon
162
Capitolo VIII
slices, scelto per ognuno dei profili della griglia è mostrato in figura
43.
Una mappa di anomalie di ampiezza dell’orizon slice venne poi costruita come una normale slice orizzontale standard (figura 44).
Fig. 43: Top degli strati ricostruiti con l’horizon slice utilizzando tutti i profili
GPR acquisiti all’interno della griglia..
La risultante mappa di anomalie mostra una più distinta anomalia
di bassa ampiezza da 5 m a 10 m est e da 12 m a 20 m nord. Questo
lineamento è qualcosa di forma rettangolare ed è circa delle stesse dimensioni di alcune delle vicine abitazioni in buca che sono state rinvenute attraverso gli scavi. Quando visualizzata in tre dimensioni, la
collocazione di questo lineamento di bassa ampiezza sull’antico piano
di calpestio incomincia a distinguersi (figura 45). L’anomalia di bassa
ampiezza che è visibile sulle mappe indica una mancanza di riflessione significativa nell'area della possibile abitazione nel pozzo. Questa
mancanza di riflessione è probabilmente dovuta a una mancanza di
contrasto dentro il materiale vulcanico che coprì l’interno del pozzo.
L’effettivo piano del pozzo e ogni riflessione che può essere stata derivata dall’interfaccia del piano e il materiale sovrastante, non è parte
di questa slice orizzontale (figura 41). Il piano non è prontamente vi-
Analisi di ampiezza negli studi GPR
163
sibile in ognuno dei profili standard di riflessione sotto l’horizon slice,
probabilmente dovuto all’attenuazione dell’energia radar sotto i 3 m
circa. Gli altri cambi di anomalia di ampiezza, lontano dall’abitazione
in buca, che sono visibili nell’horizon slice in figura 45, rappresentano
Fig. 44: Anomalia di ampiezza prodotta dalla superficie tridimensionale della
horizon slice. Le anomalie scure indicano piccole riflessioni dal fosso riempito, rappresentano la collocazione dell’abitazione (Dopo Goodman et al.,
1995).
probabilmente cambi in tipi di terreno o modifiche antropiche
dell’antico piano di calpestio prima della sua sepoltura avvenuta ad
opera della cenere vulcanica. Le horizon slice maps sono più utili
164
Capitolo VIII
quando si studiano cambi su una specifica superficie che è collocata a
profondità variabile.
Fig. 45 Horizon slice in tre dimensioni di figura 44.
Se una superficie che è preservata come un interfaccia tra due materiali contrastanti può essere identificata come una riflessione sui profili
radar, i cambi di ampiezza relativi a quell’orizzonte possono poi essere isolati e studiati. Per il motivo che le anomalie di ampiezza sono
causate da cambi nella riflettività ad un’interfaccia, è importante conoscere le caratteristiche fisiche dei materiali posti sia al di sopra che
al di sotto dell’interfaccia. Se il materiale sovrastante la linea di interesse è apparentemente omogeneo, allora la maggior parte dei cambi
di ampiezza, visibili sulle mappe di anomalie, saranno correlati a
cambi nel materiale posto immediatamente al di sopra dell’interfaccia
o direttamente al di sotto di quest’ultima. Se, tuttavia, ci sono cambi
Analisi di ampiezza negli studi GPR
165
significativi nel materiale sopra e sotto l’interfaccia, il più delle anomalie di ampiezza dovrebbero essere difficili da interpretare a meno
che siano conosciute la stratigrafia e le caratteristiche fisiche di entrambi i materiali. L’interpretazione dell’horizon slice può qualche
volta essere complicata se l’orizzonte che viene sezionato cambia drasticamente la sua profondità all’interno della griglia. Quando la profondità cambia, il cambio di ampiezza di una riflessione può essere
correlato a differenza nell’attenuazione del segnale radar alla profondità variabile lungo i profili piuttosto che a un significativo cambio
delle caratteristiche fisiche del mezzo all’interfaccia. Un altro fattore
che complica l’interpretazione delle horizon slice maps è legato alla
risoluzione delle interfacce sepolte nel sottosuolo. Le riflessioni di energia radar a lunga lunghezza d'onda non sono generalmente in grado
di risolvere i dettagli di basamenti di piccolo spessore. Se, per
l’acquisizione dei dati, vengono usate antenne a bassa frequenza allora
le differenze di ampiezza derivate da una riflessione distinta possono
essere illustrative di grossi cambi su una spessa sezione di materiale.
Se questo è il caso, il cambio di ampiezza può avere più a che fare con
una larga scala litologica o cambio in saturazione d’acqua su una
spessa sezione di materiale che con lineamenti di interesse archeologico. Focalizzazione e dispersione dell’energia radar causata da variazioni nella velocità dell’energia stessa nel materiale (figura 5) o
l’effetto di scattering causato dall’orientazione dell’interfaccia nel sottosuolo (figura 12) possono anche creare variazioni di ampiezza. Questi cambi sono molte volte difficili da interpretare e le anomalie di
ampiezza, da loro causate, possono essere confuse per cambi archeologicamente o geologicamente significativi. In aggiunta, se la risoluzione di unità nel sottosuolo è buona ma la tavola d’acqua varia di livello al confine con le strutture di interesse, verranno causate larghe
differenze in riflettività, e perciò in ampiezza. A meno che questi
cambi possono essere direttamente correlati a cambi nelle proprietà
fisiche lungo il confine del basamento, essi possono essere confusi
con un cambio naturale o antropico lungo la superficie sepolta quando
vengono costruite le horizon slice maps.
166
Capitolo VIII
INTEGRAZIONE DEI DATI DI AMPIEZZA CON MAPPE MAGNETICHE E DI RESISTIVITA’
Il sito Matsuzaki nella Prefettura di Chiba, Giappone (figura 33) dà
un buon esempio di come i dati GPR possano essere usati per identificare aree che sono state preventivamente scavate e come scoprire altri
probabili lineamenti archeologici che possono essere stati persi. In aggiunta al GPR in quel sito vennero fatti rilievi del gradiente magnetico
e di resistività che permettono un confronto dei risultati del GPR stesso con altri metodi geofisici. Il sito Matsuzak venne scavato nel 1983
dall’Educational Department di Chiba (Hiroshi 1989). Vennero scavate e successivamente ricoperte due trincee parallele attraverso tutto il
sito. Durante queste operazioni archeologiche iniziali vennero scoperte porzioni di due recinti di dimore, a 40 cm dalla superficie del terreno, del periodo finale Jomon (circa 2500 B.C.). Durante gli scavi vennero portate alla luce solo le estremità dei recinti mentre i tetti delle
dimore vennero lasciati indisturbati (figura 46). Nelle vicinanze, durante un successivo scavo nel 1992, venne ritrovato un forno medievale. Nel 1993 venne acquisita una griglia GPR di 30 m x 40 m con spaziatura tra le linee di 1 m; la griglia venne posizionata su tutti i lineamenti archeologici conosciuti. I dati riflessi da 30 linee percorse da
nord a sud furono ottenuti usando due antenne da 300 MHz. Un esempio di uno dei profili collocato su una delle abitazioni sepolte è mostrato in figura 47.
Analisi di ampiezza negli studi GPR
167
Fig. 46: Scavo di un abitazione in pozzo nel sito Matsuzaki, Giappone.
L’alterazione del colore del suolo, denotata dalle linee tracciatesulla superficie di scavo, approssima il perimetro dell’abitazione in pozzo.
Fig. 47: Sezione radar di un profilo eseguito sull’abitazione in pozzo nel sito
Matsuzaki. Il pavimento dell’abitazione, posto ad approssimativamente 30
ns, è visibile dalla riflessione di alta ampiezza.
168
Capitolo VIII
Questo segmento di 14 m in un profilo più lungo rivela una riflessione di alta ampiezza tra 30 e 40 ns che è generata all’interfaccia tra
il tetto dell’abitazione sepolta e il terreno sovrastante. Furono costruite
le time slices di ampiezza orizzontali a partire dalla superficie del terreno fino a 42 ns (Inserto 7a). Ogni time slice rappresenta una profondità di approssimativamente 21 cm nel terreno. La slice superiore, da
0 ns a 7 ns, visualizza anomalie rappresentanti due differenti superfici
di terreno caratteristiche che sono il risultato di due differenti pratiche
agricole su entrambi i lati nord e sud della linea. La bassa ampiezza,
anomalia blu scura nella porzione sud est di questa prima slice denota
la collocazione di una fossa per i rifiuti scavata di recente. La terza
slice, da 14 ns a 21 ns, mette in evidenza anomalie in uno strato di terreno che è al di sopra degli orizzonti di interesse archeologico. Le anomalie generate in questa e nella sovrastante slice possono essere il
risultato di una mistura di terreno creatasi durante le operazioni di aratura negli ultimi 10 anni. Nella slice da 21 ns a 28 ns sono chiaramente visibili due lineamenti lineari paralleli con orientamento ovest nord
ovest. Queste anomalie rappresentano le trincee test scavate e poi
riempite con terreno poco compatto rispetto alle unità circostanti nel
1983.
Un confronto di queste anomalie con la mappa derivata dallo scavo
del 1983 (figura 48) mostra una buona correlazione tra la collocazione
della trincea e queste anomalie.
Essi non sono visibili nella slice sovrastante a causa
dell’omogenizzazzione dei materiali che si è avuta durante l’aratura
che seguì lo scavo. Nella slice da 28 ns a 35 ns, sono visibili 6 distinte
strutture circolari (Inserto 7a). Due di queste strutture sono abitazioni
in pozzo scoperte durante gli scavi del 1983. I lineamenti lineari creati
dalla trincea ricoperta sono ancora visibili in questa slice. Un confronto della collocazione delle piccole strutture circolari con la mappa dello scavo (figura 48) dimostra che il lineamento di alta ampiezza
nell’angolo nord ovest della griglia era generato da un forno medievale in ceramica.
Analisi di ampiezza negli studi GPR
169
Fig. 48: Mappa degli scavi al Matsuzaki in Giappone. Tutti i lineamenti su
questa presenti su mappa sono anche visibili nelle slices di ampiezza della
Inserto 6.
Dopo test di campagna in superficie, le altre tre anomalie circolari
visibili nella slice da 28 ns a 35 ns furono scoperti essere una moderna
fossa per rifiuti, un forno in ceramica e un abitazione in pozzo precedentemente sconosciuti. Questi tre lineamenti e le due abitazioni in
pozzo conosciute sono anche visibili nella slice più profonda, da 35 ns
a 42 ns, che rappresenta una slice orizzontale nel terreno da circa 105
cm a circa 126 cm. Le trincee test, che non furono scavate a questo livello, non sono visibili in questa slice più profonda. I dati GPR visualizzati nelle time slice, quelli magnetici del gradiometro e i due sondaggi di resistività facevano parte dello stesso programma geofisico
per un interessante confronto di metodi geofisici. La mappa magnetica
170
Capitolo VIII
(figura 49) visualizza le misure di cambi del campo magnetico terrestre che sono causati da cambi nelle proprietà magnetiche dei terreni
superficiali o altri lineamenti (Scollar et al. 1990).
Il gradiometro magnetico utilizza due sensori montati su una staffa
verticale. La sensibilità può essere calibrata in modo tale che la massima sensibilità si abbia all’interno della zona di campo lontano, che è
l’area meno vicina alla superficie del terreno. Le variazioni magnetiche lette, ottenute posizionando lo strumento in vari punti di una griglia, con le relative zone anomale sono poi collocate in una mappa simile alle anomalie di ampiezza nel GPR.
Le anomalie magnetiche collocate su mappa, ottenute attraverso la
stessa griglia su cui venne acquisito il GPR, furono in grado di definire la trincea test a sud, una delle abitazioni in pozzo conosciuta, la recente fossa per i rifiuti e il forno medievale (figura 49).
La seconda trincea di test e l’abitazione in pozzo nella porzione est
della griglia, visibile sulle mappe GPR, non sono visibili sulle mappe
magnetiche. I dati magnetici, tuttavia, permettono di scoprire molti
degli stessi lineamenti messi in evidenza dalle slices GPR con una minore riduzione in chiarezza.
Alcuni dei lineamenti ben definiti dal GPR, tuttavia, non erano visibili nelle mappe di anomalie magnetiche, probabilmente perché essi
non hanno contrasti magnetici. Un secondo test geofisico con
l’utilizzo di un resistivimetro in una configurazione con doppia sonda
venne condotta sulla stessa griglia (figura 49). Questo test impiega
due sonde conduttive che vengono piazzate nel terreno ad una certa
distanza di separazione. Una corrente elettrica viene poi fatta scorrere
Analisi di ampiezza negli studi GPR
171
Fig. 49: Mappe di anomalie magnetiche e di resistività, nel sito Matsuzaki, Giappone.
La griglia usata in questi due rilievi geofisici approssima quelle della Inserto 7 e fig.
48. La mappa magnetica visualizza alcuni degli stessi lineamenti evidenziati dalle slices di ampiezza del GPR. (le mappe sono state gentilmente concesse da Yasushi Nishimura del Nara National Cultural Properties Research Institute)
172
Capitolo VIII
in una sonda e l’ammontare di corrente ricevuta viene misurata
nell’altra sonda. La conduttività (e il suo inverso la resistività) del terreno e del materiale nel campo di corrente può essere direttamente misurata e il valore riportato su una mappa (Scollar et al. 1990). Più è
grande la distanza di separazione tra gli elettrodi sonda, più è grande
la profondità di penetrazione dell’energia elettrica. Al Matsuzaki fu
usata una batteria da 12 volt che immetteva una corrente elettrica nel
terreno con elettrodi distanziati di un metro. Le misure di resistività
ottenute in campagna furono poi riportate in una mappa (figura 49).
Nessuno dei lineamenti visibili nelle mappe GPR e magnetiche era visibile nelle risultanti mappe di resistività elettrica. Il fallimento di questo metodo può essere stato dovuto al fatto che i lineamenti da mettere
in evidenza erano piccoli rispetto alla spaziatura tra gli elettrodi, permettendo così alla corrente di passare troppo in profondità nel terreno.
Le resistività misurate riportate sulla mappa furono perciò probabilmente ottenute da unità poste più in profondità rispetto alla zona di interesse archeologico. Le fornaci sepolte come quelle scoperte al Matsuzaki sono prontamente visibili con il GPR a causa della natura riflettiva delle interfaccia tra il rivestimento di argilla bruciata e il terreno circostante. Una serie di fornaci sepolte simili a quella descritta sopra furono scoperte nella città di Suzu nella penisola di Noto in Giappone (figura 33) da Goodman e altri (1994) usando il GPR. In
quest’area, furono scavate ai lati della collina una serie di stanze includenti un camino centrale, presa d’aria e fori di scarico (Uno et al.
1993). Gli archeologi sospettano che le fornaci furono collocate in
quest’area a causa dell’alto numero di cocci ceramici rinvenuti sulla
superficie del terreno. L’area è stata usata per l’agricoltura per molti
anni, e tutte le altre indicazioni in superficie di possibili fornaci sepolte sono state distrutte. Nel sito fu acquisita una griglia GPR di 20 m x
13 m con linee spaziate di 1 m utilizzando una coppia di antenne da
300 MHz (figura 50). I profili standard bidimensionali mostrano riflessioni di anomalie che probabilmente derivano da tre tetti di fornace
intatti (figura 51). Quando furono costruite le mappe delle slice di ampiezza, le fornaci vennero subito individuate nella slice da 12 ns a 16
ns (figura 50). Le due fornaci a est erano visibili anche come anomalie
magnetiche (Sakai et al. 1993). Scavi condotti nella porzione est della
griglia GPR confermano la collocazione delle due fornaci (figura 52),
ma la presenza della fornace a ovest, visualizzata dal GPR ma non dal
magnetometro, è ancora speculativa. Può essere una fornace mai usata
Analisi di ampiezza negli studi GPR
173
e perciò non contiene lati di cottura che dovrebbero produrre un anomalia magnetica.
UTILIZZO DELLE TIME SLICES PER LA RICERCA DI LINEAMENTI VERTICALI
Il GPR è generalmente un buon strumento per esplorare e riportare
su mappa i lineamenti orizzontali o piani, perché questi tipi di discontinuità sepolte tendono a riflettere la maggior parte dell’energia radar.
Quando i lineamenti bersaglio sono entrambi verticali e di piccole dimensioni, può essere molto difficile identificarli nei profili standard
bidimensionali e sono spesso non visti. Con lo scopo di mettere in evidenza i lineamenti verticali furono costruite una serie di mappe di
anomalie di ampiezza (time slice) non corrette per la topografia su
due colline dove si sospettava la presenza di colonne verticali. Le colline Kofun 102 e 103 sono collocate nel parco di Saitobaru vicino alla
collina Kofun 111 (figura 33). Alcune altre piccole colline nell’area,
simili alle 102 e 103, sono conosciute avere inusuali colonne verticali
conducenti alle stanze di sepoltura (Hongo Hiromichi, comunicazione
personale 1993). Le due colline furono rilevate nel 1993 usando due
antenne da 300 MHz (figura 53). Venne acquisita una griglia di 20 m
x 45 m con profili equispaziati di un metro. Nell’inserto 8 sono mostrate 8 time slice intervallate di 8 ns. Nessuna di queste slice è corretta per la topografia e la slice più in alto illustra le caratteristiche del
terreno dentro entrambe le colline e del terreno circostante, come mostrato in figura 54. Quando le riflessioni non sono corrette per le variazioni topografiche, una slice orizzontale non è realmente orizzontale ma parallela alla superficie del terreno. La slice più in alto, da 0 ns a
8 ns, corrisponde a una profondità dalla superficie del terreno di approssimativamente 25 cm. Sono visibili come anomalie di ampiezza
lineamenti circolari concentrici che rappresentano un differente materiale di costruzione nelle colline rispetto a quello collocato alla stessa
profondità nel terreno circostante (Inserto 8). Nella slice da 32 ns a 40
ns sono visibili quattro anomalie di ampiezza, due in ogni collina.
Questa slice rappresenta l’analisi delle riflessioni da una profondità tra
1 m e 1,25 m. La collocazione di queste quattro anomalie indica la
stessa orientazione dentro ogni collina.
174
Capitolo VIII
Fig. 50: Slices di ampiezza che mappano i forni, Città di Suzu, Giappone. Le
due anomalie di ampiezza nella parte est della griglia (forni 2 e 3) sono state
confermate dagli scavi e sono anche visibili nelle mappe di anomalie magnetiche. L’anomalia nella parte ovest (forno 1) non è stata confermata dallo
scavo e non è visibile sulla mappa di anomalie magnetiche (Dopo Goodman
et al., 1994. Il rilievo magnetico è una gentile concessione di Hideo Sakai,
Dip. Di Scienze della Terra, Università di Toyana. Mappe dopo Sakai et al.,
1993)
Analisi di ampiezza negli studi GPR
175
Fig. 51: Profilo radar che conferma la posizione dei forni.
Fig. 52: Foto dello scavo di due dei tre forni messi in evidenza dal rilievo
GPR (gentilmente concessa da Takao Uno, Università di Toyama).
176
Capitolo VIII
Fig. 53: Foto che mostra la raccolta dei dati con antenna da 300 MHz.
Fig. 54: Schema delle sezioni time slice non corrette per la topografia.In un area con
stratigrafia orizzontale, i profili bidimensionali radar che non sono corretti per la topografia intersecano gli strati di interesse. Quando questo accade, ogni time slice deve
essere interpretata con prudenza perché in essa compaiono anomalie di ampiezza prese all’intersezione delle slices con il piano.
Analisi di ampiezza negli studi GPR
177
L’anomalia A nella collina 102 corrisponde all’esatta collocazione
di una colonna verticale che fu scoperta durante gli scavi di test prima
di condurre il rilievo GPR. La posizione delle colonne indica che esse
furono probabilmente scavate dopo la costruzione delle colline e probabilmente guidano ad una sepoltura sotterranea. L’anomalia A fu
probabilmente prodotta dal contrasto di velocità che si ha
all’interfaccia della colonna con il circostante materiale di riempimento della collina. Le tre anomalie addizionali visibili anche nella slice
da 32 ns a 40 ns sono probabilmente colonne di ingresso simili ad A.
La stanza centrale di sepoltura della collina 102 è visibile nella slice
più bassa, da 48 ns a 64 ns, come una distinta anomalia circolare. Una
rappresentazione dell’orientazione della superficie delle colline, le colonne e la possibile tomba è mostrata in figura 55.
Fig. 55: Diagramma che rappresenta le due colline con l’ingresso verticale
che conduce nelle stanze di sepoltura.
178
Capitolo VIII
In questo sito le time slice furono in grado di dare un immagine dei
lineamenti verticali che generalmente non dovrebbero essere visti sui
profili standard bidimensionali GPR. Due profili standard attraverso
uno dei lineamenti indicano la presenza di un anomalia che può rappresentare una colonna verticale (figura 56). I lineamenti verticali sono generalmente difficili da notare nei profili standard bidimensionali
e possono solo essere visibili dopo che le ampiezze delle riflessioni
sono analizzate al computer.
Fig. 56: Due profili paralleli GPR eseguiti sugli ingressi verticali.
Analisi di ampiezza negli studi GPR
179
L’USO DELLE TIME SLICE PER INDIVIDUARE LINEAMENTI
NELLA ZONA DI CAMPO VICINO
Molti ricercatori che usano il GPR credono che alcune riflessioni
utili possono essere registrate nella zona di campo vicino. Come discusso nel capitolo II, povera o addirittura priva di riflessioni, è collocata all’interno di circa una lunghezza d’onda dalla superficie del terreno. E’ la zona entro cui l’energia radar trasmessa è impiegata nel
processo di accoppiamento con il terreno e perciò si hanno poche riflessioni. Essa è generalmente visualizzata nei profili bidimensionali
GPR come una banda poco distinta vicino alla superficie, spesso incorrettamente chiamata “zona di interferenza” (figura 13). A causa
dell’ampia larghezza di banda di molte antenne GPR, tuttavia, ci possono essere alcune riflessioni di energia radar dentro questa zona dalla
lunghezza d’onda più corta nella porzione di alta frequenza nella banda di trasmissione. La più corta lunghezza d’onda dell’energia radar si
accoppierà con il terreno più vicino alla superficie ed è perciò utilizzabile per la riflessione, mentre l’energia con più lunga lunghezza
d’onda è ancora più in profondità nel terreno nel processo di accoppiamento. Sfortunatamente, in molti profili standard bidimensionali, la
dominanza nella banda delle più lunghe lunghezze d’onda tende ad
oscurare alcune riflessioni vicino alla superficie delle lunghezze
d’onda più corte. L’analisi di ampiezza sul computer ha l’abilità di estrarre le corte lunghezze d’onda del segnale riflesso dal rumore di
background e visualizzarle in una forma utile all’interpretazione. Le
mappe di anomalia di ampiezza possono poi visualizzare le anomalie
estratte che possono essere rappresentate da solo una manciata di valori digitali nella forma d’onda registrata. Usando questa tecnica, i dati
registrati che venivano normalmente ignorati, possono ora essere manipolati al fine di rispondere a importanti richieste di tipo archeologico. Un buon esempio di questo processo di estrazione vicino alla superficie è dato dai dati GPR registrati a Shawnee Creek in Eminence,
Missouri. Diverse canne fumarie del periodo Mississipiano (circa
A.D. 1000) e una struttura, che è stata sepolta prima dell’abbandono,
furono scoperti durante gli scavi da James Price dell’Università del
Missouri e Mark Lynott del Parco Nazionale di Service. Tutti i pozzi
aperti e gli altri scavi furono successivamente ricoperti. In un tentativo
di scoprire altre possibili strutture e lineamenti archeologici nella stessa area degli scavi fu condotto nel 1992 un rilievo GPR con
180
Capitolo VIII
l’esecuzione di una griglia di 20 m x 60 m. Tutte le linee della griglia
erano spaziate di un metro. Le analisi iniziali dei profili bidimensionali, che furono registrati in quel rilievo, indicano che l’alto contenuto di
argilla del terreno in quest’area può avere limitato la penetrazione
dell’energia radar a soli 50 ns circa (figura 57). In ognuno dei profili i
cambi di ampiezza visibili appaiono poco interessanti. Anche quei dati, che furono raccolti direttamente sopra le strutture poco profonde
già conosciute, non mostrano anomalie a causa dell’effetto di campo
vicino. Prima di procedere all’analisi con le time slice i profili, come
quelli di figura 57, sono stati pensati non avere alcun valore e il rilievo
è, di conseguenza, stato considerato fallito. Nel tentativo di estrarre
alcune informazioni utili da questi dati, furono costruite le time slice
ogni 5 ns. I tempi doppi di viaggio vennero poi convertiti in profondità, usando una velocità di 6 cm/ns, e le slice di anomalie di ampiezza
furono stampate ogni 15 cm. Un anomalia di ampiezza molto alta
venne scoperta nella porzione a nord ovest della griglia in tutte le slice dalla superficie del terreno fino ad una profondità di 75 cm.
Fig. 57: Profilo bidimensionale GPR, sito Shawnee Creek, Mssouri. Il rumore
del background qui non è stato rimosso. Non ci sono riflessioni interpretabili
a vista sia nella zona di campo vicino che fuori più in profondità. Dati di questo genere, quando elaborati usando le slices di ampizza, possono dare anomalie tridimensionali significative.
Analisi di ampiezza negli studi GPR
181
Fig. 58: Slice da 0 a 5 ns con la collocazione degli scavi, dal sito Shawnee
Creek, Mssouri. C’è una buona correlazione tra gli scavi archeologici e le anomalie di ampiezza a dimostrazione che ci sono dati ancora utili nella zona
di campo vicino e che non sono visibili nei profili bidimensionali come mostrato in fig. 57.
182
Capitolo VIII
Quest’area anomala, designata col nome Feature 1, rappresenta l’area
scavata dove vennero scoperte le strutture Mississipiane sepolte (figura 58).
Le anomalie erano, probabilmente, generate da cambi di ampiezza
nelle riflessioni generate nel relativamente incompattato terreno usato
per ricoprire gli scavi. Le collocazioni di altri scavi vicini, che erano
stati condotti nel 1980, sono visibili sulla mappa della slice poco profonda (figura 58). C’è una buona correlazione tra queste anomalie poco profonde e gli scavi. Una serie di slice orizzontali venne costruita a
intervalli di 15 cm fino a una profondità di 150 cm (Inserto 7b). Nelle
slice più profonde, da 75 cm a 150 cm, sono visibili un certo numero
di anomalie di ampiezza che non erano visibili nei profili standard bidimensionali e continuano ad essere visibili su molte slice. Essi rappresentano probabilmente strutture addizionali sepolte simili alle stanze di sepoltura scavate. Solo tramite l’uso di un computer, per estrarre
queste importanti riflessioni, sono visibili questi lineamenti.
CAPITOLO IX
CONCLUSIONI
Molti dei casi studiati usati per illustrare la tecnica GPR e i risultati
interpretativi in questo libro erano “i casi migliori”, ottenuti dagli autori da moli rilievi condotti sotto diverse condizioni e in ambienti diversi. Abbiamo condotto anche altri rilievi che non hanno avuto sufficiente successo o che addirittura sono falliti; questi naturalmente non
vengono presentati. I fallimenti e i successi marginali sono dovuti al
fatto che l’esplorazione GPR non è una panacea per tutti i problemi
archeologici. Assumiamo perciò alcuni rischi nel presentare solo i casi
migliori, lasciando i lettori con l’impressione che l’esplorazione GPR
può essere applicata automaticamente a tutti i problemi. Questo può
non sempre essere il caso. E’ importante enfatizzare che gli archeologi
non possono utilizzare arbitrariamente le tecniche GPR presentate in
questo libro senza l’ausilio degli scavi. Il GPR non sarà da solo in
grado di rimpiazzare i metodi archeologici standard e, per avere più
successo, il metodo dovrebbe essere integrato con loro. Le riflessioni
radar nel sottosuolo non saranno mai in grado di determinare cose
come l’età di un lineamento archeologico, quale tipo di stoviglie di
terra cotta o il colore dei pigmenti con cui esse sono decorate. Solo gli
scavi possono dare questo tipo di informazione. La forza di questo
metodo sta nell’abilità di scoprire lineamenti nascosti, creare accurate
immagini di questi ultimi in tre dimensioni e produrre mappe di importanti stratigrafie tra e intorno agli scavi archeologici standard. In
questa forma corrente il GPR è in grado di scoprire in altro modo lineamenti non visibili in superficie velocemente e accuratamente su vaste
aree. Questo può essere fatto in modo poco costoso e non distruttivo
rispetto ai metodi standard di scavo. Una griglia tipica di 50 m2, con
maglia di 1 m, può essere acquisita in 4 ore. I dati possono generalmente essere trattati in tempo reale se si ha a disposizione un computer portatile in campagna. Dopo che il rilievo è terminato la superficie
della terra è stata danneggiata solo dalle impronte lasciate in superficie
dalla slitta che contiene l’antenna e dai piedi dell’operatore che trascina l’antenna stessa. Molti archeologi continueranno ad utilizzare il
GPR nel suo ruolo tradizionale come un dispositivo “individuatore di
anomalie” per mettere in evidenza lineamenti che potranno, in seguito,
183
184
Capitolo IX
essere scavati. Sebbene questo rimarrà un importante utilizzo nel futuro, crediamo che il GPR raggiunga la massima efficienza quando può
essere integrato con dettagliate informazioni archeologiche e geologiche raccolte da scavi e da studi stratigrafici. Quando questo è possibile, il metodo diventa un valido strumento per la messa a punto di
mappe antropogeniche accurate e dell’ambiente naturale di un sito.
Senza queste conoscenze il GPR è niente più di una “scatola nera” che
crea interessanti (e possibilmente importanti) immagini bidimensionali
di lineamenti posti al di sotto della superficie del terreno. La sua forza
sta nell’integrazione con tutti gli altri metodi di ricerca archeologica.
Deve essere ricordato che il metodo GPR è efficace solo come strumento di mappatura in certi ambienti con specifici terreni e regimi di
umidità. Il suo successo, o fallimento, è legato alla conoscenza e
all’applicazione del corretto equipaggiamento, degli appropriati parametri di ingresso e all’abilità di interpretazione da parte degli archeologi, geologi e geofisici. E’ importante riconoscere le anomalie GPR
(che possono o non possono avere significato) e ancora interpretare
correttamente le riflessioni più importanti al fine di derivare un significato archeologico o ambientale. Nel tentativo di specificare alcuni
dei successi e dei fallimenti del GPR, presentiamo nella tavola 6 una
stima della fattibilità di realizzare immagini di vari lineamenti nel terreno. Queste stime qualitative sono derivate solo dall’esperienza degli
autori e si spera che altri, usando tecniche leggermente differenti, possano produrre risultati migliori per alcuni dei quali consideriamo le
applicazioni archeologiche più marginali. In aggiunta, ammettiamo
che la nostra esperienza GPR è stata focalizzata su solo una piccola
frazione dei siti e condizioni del terreno circostante dove il metodo
potrebbe essere potenzialmente applicato. Ognuno degli studi illustrati
in questo libro venne fatto sotto condizioni specifiche che non potranno mai essere replicate a causa del costante cambiamento delle condizioni ambientali. La tabella 6 deve perciò essere usata solo come una
guida generale per accedere alle potenzialità del GPR; non può essere
usata come guida adattabile a tutte le situazioni. A tutto quello descritto nella tabella 6 deve essere aggiunto il fatto che la profondità dei
bersagli e le condizioni locali del terreno possono alterare drasticamente la penetrazione dell’energia radar e quindi le riflessioni.
Conclusioni
185
Tab. 6: Possibilità dell’uso del GPR per scoprire e mappare lineamenti archeologici e stratigrafie sepolte
BERSAGLIO ARCHEOLOGICO
POSSIBILITA’ PER IL
GPR
GIUSTIFICAZIONI
Abitazioni in pozzo riempite Buone
con materiale differente rispetto alla matrice del terreno
circostante
Buon contrasto di velocità tra tetto
e matrice del terreno produrrà forti
riflessioni
Trincee, colline sepolte, tun- Eccellente
nel vuoti
Buon contrasto di velocità
all’interfaccia dei lineamenti con il
materiale che circonda il vuoto
Trincee scavate e ricoperte
Buon contrasto di velocità quando
riempite con materiale differente
(anche meno compatto) rispetto al
materiale circostante
Da moderato a buono
Camini con bocche di cottura Buone
più grandi di 1-2 m di diametro
Il fuoco può creare una superficie
bruciata che riflette l’energia radar
Camini più piccoli di un me- Da moderato a povero
tro di diametro
Generalmente troppo piccole per
essere visibili a meno che i pozzi
non siano molto superficiali e vengano utilizzate antenne ad alta frequenza
Fondamenta in pietra sepolte Buone
in materiali con grani fini
I muri verticali creano iperboli di
riflessione dal loro top e dai lati
Strutture in argilla, pietra o Povere
legno duro sepolte da materiale roccioso
Riflessioni troppo piccole (rumore)
vengono create dal materiale roccioso
Strutture in argilla, pietra o Povere
legno duro sepolte da argilla
bagnata
L’alta
conduttività
elettrica
dell’argilla attenuerà severamente
l’energia radar
Strutture in argilla, pietra o Buone
legno duro sepolte da materiale vulcanico con grani fini
umido o asciutto
Il buon contrasto di velocità tra le
strutture e il materiale circostante
crea forti riflessioni
Piani di fornace o tetti
L’alta temperatura nelle fornaci
indurisce il materiale circostante,
creando un eccellente superficie di
riflessione radar
Eccellente
Superficie di calpestio sepolta Buone
ricoperta da materiale di differente litologia
Un interfaccia spazialmente estesa
con un buon contrasto di velocità
rifletterà le onde radar
Piccoli strumenti in pietra Povere
dispersi nel terreno
Gli oggetti bersaglio sono troppo
piccoli per riflettere sufficiente
energia radar per essere individuati
Capitolo IX
186
BERSAGLIO ARCHEOLOGICO
POSSIBILITA’ PER IL
GPR
GIUSTIFICAZIONI
Piccoli strumenti in metallo Moderate
dispersi nel terreno
Se gli oggetti non sono sepolti
troppo in profondità e sono usate
antenne ad alta frequenza, gli oggetti di metallo creeranno piccole,
ma visibili, iperboli di riflessione;
possono anche creare riflessioni
multiple più visibili
Da moderati a grandi oggetti Eccellente
in metallo
Il metallo è un perfetto riflettore
dell’energia radar e genererà iperboli di riflessione visibili
Piccoli artifatti in argilla
Generalmente non creano un sufficiente contrasto di velocità con il
materiale circostante per essere
visibili come riflessioni
Povere
Aree spazialmente estese con Moderate
concentrazione di cocci di
stoviglie in terra cotta
In modo dipendente dal loro spessore e dal contrasto di velocità con
la matrice del terreno circostante,
essi possono creare una notevole
riflessione che appare come uno
strato
Sepolture riempite con mate- Moderate
riale differente rispetto alla
matrice del terreno circostante
Il buon contrasto di velocità
all’interfaccia tra i due differenti
materiali può creare buone riflessioni; visibile se la sepoltura è larga e non troppo profonda
Allineamenti di roccia o argil- Buone
la sepolti in una matrice di
grani fini
Roccia e argilla generalmente producono un buon contrasto con il
materiale circostante, e le sepolture
sono generalmente larghe a sufficienza per essere visibili con molte
frequenze radar
Lineamenti all’interno
stanze di roccia
di Povere
Coperture di pietra e muri di roccia
rifletteranno molta dell’energia
radar prima che essa penetri nella
stanza
Fango compatto o muri di Buone
terra e tetti sepolti da materiale con grani fini
Esiste un buon contrasto di velocità alle interfaccia del muro che
daranno origine a riflessioni
Strati con spessore piccolo Povere
rispetto alla lunghezza d’onda
del segnale radar trasmesso
Il top e il bottom dello strato non
possono essere risolti perché la
lunghezza d’onda dell’energia radar trasmessa è troppo lunga
Conclusioni
BERSAGLIO ARCHEOLOGICO
POSSIBILITA’ PER IL
GPR
187
GIUSTIFICAZIONI
Strati con spessore più grande Buone
della lunghezza d’onda del
segnale radar trasmesso
Entrambi top e bottom dello strato
rifletteranno energia dalla stessa
onda trasmessa
Ogni lineamento al di sotto di Povere
uno spessore di argilla bagnata
Lo spessore di argilla bagnata è
elettricamente molto conduttivo e
attenuerà molta, se non tutta,
l’energia radar
Una comune concezione sbagliata è che la risoluzione di lineamenti archeologici sepolti o di importanti stratigrafie è migliore vicino alla
superficie e decresce con la profondità. Generalmente questo è vero,
ma in qualche caso la zona di campo vicino dell’antenna oscurerà importanti riflessioni superficiali che possono essere messe in evidenza
solo con sofisticate analisi al computer. In aggiunta, se lo spazio tra i
profili in una griglia è troppo grande, alcuni lineamenti superficiali
giacenti tra la linea del tracciato e l’antenna rimarranno non indagati
al di là di quanto buona possa essere la risoluzione in superficie. Questi stessi lineamenti, tuttavia, se sepolti più in profondità nel terreno,
possono essere visti mantenendo la stessa spaziatura tra le linee a causa dello spreading conico del raggio radar che “illumina” un area
sempre crescente con la profondità. Molti credono che i rilievi GPR
possono essere condotti solo su terreni orizzontali o qualcosa di simile. E’ sempre più semplice lavorare su una superficie piana, ma un terreno non uniforme o irregolare (pieno di rugosità) non dovrebbe precludere l’uso del GPR. Alcuni rilievi coronati da successo, condotti in
aree con diverse variazioni topografiche, spesso producono risultati
sorprendenti e potenzialmente utili. Se sulla griglia vengono effettuate
misure dettagliate di quota, i profili possono essere corretti per la topografia e i lineamenti archeologici che sarebbero altrimenti difficili
da discernere nei profili standard cominciano ad apparire. Gli autori
hanno usato il GPR in siti dove larghe antenne radar (in particolare
300 MHz) sono state tirate su terreni collinosi e pieni di protuberanze.
L’applicazione di un certo valore di stacking in acquisizione e del
background removal filter può dare buoni dati riflessi. Le antenne a
frequenza più bassa (meno di 300 MHz) sono meno influenzate da
piccoli cambi, durante il loro trascinamento su terreni irregolari, tipo
salti e fermate, cosa che non succede quando vengono usate antenne
con alta frequenza che hanno dimensioni più piccole. Anche piccole
188
Capitolo IX
irregolarità della superficie che non possono essere corrette con la
semplice correzione topografica possono danneggiare severamente le
riflessioni dal sottosuolo ottenute con l’utilizzo di antenne con alta frequenza. L’uso potenziale del GPR non dovrebbe essere scoraggiato da
siti che hanno condizioni di superficie poco favorevoli. Un importante
fattore nell’ottenere risultati di successo è quello di fare in modo che
le linee dentro la griglia del rilievo non siano distorte da cambiamenti
di quota lungo i tracciati. Gli autori hanno trovato che è imperativo
dedicare un po’ di tempo alla quadratura delle linee della griglia prima
di condurre un rilievo al fine di assicurare un ottima precisione per la
ricostruzione dei lineamenti del sottosuolo. Lo spazio tra le linee in
una griglia deve anche essere programmato prima tenendo presente la
profondità, le dimensioni dei bersagli e la frequenza dell’antenna che
verrà usata. Questo assicurerà “l’illuminazione” dei lineamenti di interesse.
Sono
estremamente
importanti
la
calibrazione
dell’equipaggiamento e i test di velocità prima di condurre un rilievo.
La conversione tempo – profondità può essere fatta accuratamente solo se le misure di velocità sono state fatte all’interno dello stesso programma di acquisizione dei dati. Ogni programma di acquisizione
GPR darà risultati unici in modo dipendente dalle condizioni del terreno nel momento in cui il rilievo viene eseguito. Il terreno, il grado di
umidità dei sedimenti e altri fattori ambientali cambieranno col tempo,
e la velocità delle onde radar, la risoluzione del sottosuolo varieranno
in accordo con questi cambiamenti. Se i test di velocità non sono fatti
mentre è in atto il rilievo, essi non potranno mai essere accuratamente
replicati; dopo le correzioni tempo - profondità saranno effettivamente
solo delle congetture. Una comprensione della stratigrafia del sottosuolo di come essa è correlata alle riflessioni è una parte cruciale nel
processo di interpretazione. Questo può essere fatto solo se la stratigrafia è visibile negli scavi di test. Se possibile, alcuni profili GPR in
una griglia dovrebbero essere acquisiti in modo tale da legare la stratigrafia conosciuta alle riflessioni ottenute nei profili stessi e che possono essere correlate a orizzonti di un certo interesse. Se questo non è
fattibile, l’origine delle riflessioni individuali sarà sempre in dubbio, e
alcuni, possibilmente importanti, lineamenti possono rimanere sconosciuti. In alcune situazioni può essere difficile ottenere il permesso di
scavare al fine di osservare e misurare la stratigrafia, specialmente se
lo scopo del rilievo è quello di mappare un sito in modo “non invasivo”. Se lo scavo non è permesso in un area archeologicamente sensibi-
Conclusioni
189
le, può ancora essere possibile estendere le linee del rilievo verso strade tagliate vicine o verso scavi collocati lontano dal sito ma che conservano un settaggio geologicamente simile. Come ultima risorsa, può
essere plausibile ottenere informazioni stratigrafiche da una trivella
sonda o da carotaggi di piccolo diametro e correlarle poi ai profili
GPR. Gli utilizzatori del GPR dovrebbero sempre avere informazioni
circa le condizioni del terreno consultando geologi o conoscitori della
zona sotto studio. Se i terreni sono ricchi di argilla, specialmente se
bagnata, o se i lineamenti di interesse sono collocati in profondità nel
terreno, altre tecniche geofisiche possono essere più utili del GPR.
Sebbene molti altri metodi geofisici di mappatura possono produrre
dati significativi, il GPR è uno dei pochi metodi di indagine di superficie che può essere calibrato accuratamente per dare informazioni affidabili in profondità e produrre mappe tridimensionali. Durante
l’acquisizione dei dati in campagna è importante, ma molte volte difficile, astenersi dal dare giudizi circa il successo o il fallimento del rilievo. La tipica domanda posta dagli esecutori è “abbiamo trovato
qualcosa finora?”. Sebbene esso è un tentativo di spiegazione sulle origini delle anomalie che possono essere visibili nei profili dei dati
grezzi sullo schermo di un computer o stampati su carta, il trattamento
e l’interpretazione prudente dei dati dopo il rientro dalla campagna è
generalmente necessario per ogni accurata stima del successo di un
rilievo. Gli autori hanno spesso trovato che conclusioni preliminari
basate su un esame accurato dei profili grezzi in campagna sono spesso inaccurate e ogni valutazione del successo dei rilievi basata su essi
può essere frettolosa e incorretta. Dopo l’applicazione del background
removal filter, l’analisi con le time slice e altre tecniche interpretative
dei dati, i lineamenti, altrimenti invisibili, spesso appaiono in molti
posti improbabili. Un’analisi dettagliata dei dati è quasi sempre necessaria e gli approcci casuali al trattamento ed interpretazione dei dati
stessi probabilmente danneggeranno i risultati e porteranno i rilievi a
fallire. Per siti stratigraficamente e archeologicamente complicati, è
necessario un trattamento dinamico di manipolazione al computer e un
interpretazione conoscitiva da parte dell’uomo. Tecniche individuali e
sofisticate devono, qualche volta, essere improvvisate al fine di trattare con la complessità di alcuni siti. Questo processo può necessitare,
per le analisi, di un team di archeologi, geologi e geofisici. In pratica
questo tipo di approccio è spesso difficile a causa della mancanza di
tempo e di fondi ed è necessario che l'archeologo incaricato del rilievo
sia ben disposto nei confronti di molte delle tecniche discusse qui.
190
Capitolo IX
Questo libro è stato scritto con la cognizione che molte delle tecniche di elaborazione ed interpretazione presentate verranno sostituite
da tecniche di elaborazione dei dati più avanzate e da immagini a più
alta risoluzione nell’immediato futuro. Attualmente molte delle tecniche discusse, emerse solo recentemente dalla ricerca e dallo sviluppo
delle applicazioni realizzate, possono essere usate con successo dagli
archeologi. Esse saranno molto probabilmente migliorate in breve
tempo di pari passo con l’ampliarsi dell’utilizzo del GPR.
Il metodo GPR utilizza parte della teoria delle onde e tecniche di
campagna che sono comunemente utilizzate nell’esplorazione sismica
nel campo petrolifero. Sebbene i due metodi utilizzino differenti sorgenti di energia (onde elastiche per la sismica, onde elettromagnetiche
per il radar) molte delle stesse tecniche di elaborazione ed interpretazione possono essere utilizzate per entrambi.
L’esplorazione GPR di superficie ebbe un incremento a partire dagli anni ’70 di pari passo con l’esplorazione sismica e prima
dell’avvento di molta dell’attuale tecnologia dei computers. La presa
in prestito delle tecniche di acquisizione ed elaborazione dati dalla sismica consente di mantenere la promessa di un rapido avanzamento
del metodo GPR nel 21° secolo. Alcuni dei metodi discussi in questo
libro, come quello riguardante la costruzione delle “slice-maps”,
l’analisi di velocità e i modelli bidimensionali generati al computer,
vennero modificati direttamente dai comuni programmi usati per
l’esplorazione petrolifera.
Tra i più potenzialmente promettenti miglioramenti nel futuro ci
sarà l’aggiunta di sistemi multipli ricevitore/trasmettitore (van Deen,
1996). Nell’esplorazione petrolifera, è attualmente di pratica comune
utilizzare ricevitori multipli (qualche volta più di mille), arrangiati sulla superficie del terreno, che possono simultaneamente “ascoltare”
l’energia riflessa che è trasmessa da una o più stazioni in superficie. I
dati riflessi sono registrati su un sistema computerizzato di canali multipli e possono poi essere elaborati in modo tridimensionale in modo
da ottenere ottimi risultati. A oggi, molti sistemi GPR utilizzano un
solo canale che controlla sia l’antenna trasmittente che quella ricevente disposte in un solo punto della superficie del terreno.
Dall’incremento del numero di ricevitori risulteranno immagini con
più alta risoluzione. Un recente lavoro di Ulriksen (1992) suggerisce
che un prototipo di GPR a cinque canali, utilizzato inizialmente per
testare l’integrità delle strade in Svezia, potrà essere, in futuro, applicato in archeologia. Un sistema commerciale a quattro canali ha in-
Conclusioni
191
cominciato ad essere utilizzabile (il sistema GSSI SIR-10); esso deve
però essere ancora perfezionato per realizzare una vera disposizione
tridimensionale in un rilevamento archeologico. I software impiegati
nella elaborazione dei dati (multi ricevitori) sismici possono essere
adattati ai sistemi multi-ricevitori GPR. Uno deve stare attento quando
usa i programmi di elaborazione dei dati sismici “fuori dalla mensola”, nondimeno perchè ci sono importanti differenze tra la propagazione delle onde sismiche e delle onde radar nel sottosuolo. La velocità delle onde sismiche tende ad aumentare con la profondità mentre la
velocità delle onde radar tende a diminuire a causa dell’aumento della
saturazione d’acqua con la profondità. Questa situazione crea molte
differenze legate ai percorsi dell’onda a causa dei cambi nel sottosuolo
relativi alla rifrazione e trasmissione delle onde stesse attraverso interfacce sepolte a differente velocità. La fortuna è che, tuttavia, le similitudini tra i due metodi vincono le differenze. Con l’inclusione dei ricevitori multipli, le analisi bidimensionali standard di velocità nel metodo GPR discusse in questo libro potrebbero essere allargate alle tre
dimensioni in modo da rilevare i cambi spaziali di velocità all’interno
di una griglia. La conversione dei tempi di viaggio dell’onda radar in
profondità potrebbe poi essere fatta spazialmente, aumentando così
l’accuratezza delle mappe del sottosuolo.
Molti dei lavori GPR ad oggi si sono focalizzati sulla propagazione
continua dell’onda radar generata da una serie di impulsi che partono
da un’antenna posta in superficie. I nuovi sistemi radar incominciano
a sviluppare la tecnologia “chirps (cinguettio)” che consente
all’energia radar di conosciuta e misurabile frequenza di essere trasmessa attraverso l’emissione di vari impulsi di lunghezza nota. Le
riflessioni da questi “chirps” dovrebbero poi essere registrate allo stesso modo delle registrazioni continue, ma con una più grande profondità di penetrazione e risoluzione della riflessione stessa. Sistemi simili
che utilizzano onde sismiche sono stati in uso per molti anni con risultati straordinari.
Uno degli impedimenti all’avanzamento tecnologico del GPR in
archeologia il ritorno economico, in molti casi, non può giustificare
l’alto investimento in ricerca e sviluppo. Questo non è stato il caso per
lo sviluppo delle procedure sismiche per l’esplorazione petrolifera dove i ritorni per lo sviluppo della tecnologia innovativa possono essere
piuttosto stupefacenti! Nondimeno, la tecnologia dell’elaborazione dei
dati GPR è consolidatamente migliorata dal prestito delle idee prese
dal metodo sismico. Nuovi sviluppi sono anche nati grazie all’impiego
192
Capitolo IX
del GPR nel campo dell’ingegneria e dell’ambiente. La ricerca sul rischio di siti destinati a discarica, la misura quantitativa dell’integrità
delle strade e delle piste di atterraggio, e molte altre applicazioni geotecniche si sono sviluppate a velocità esponenziale. Queste nuove applicazioni incominciano a svilupparsi per l’uso commerciale che eventualmente incomincerà ad essere utilizzabile per la comunità archeologica e consentirà di allargare drasticamente la nostra abilità di “vedere” al di sotto della superficie del terreno.
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AREE SCIENTIFICO–DISCIPLINARI
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